Анализ методики дистанционной тепловой съемки для геоэкологического мониторинга Ханкальского геотермального месторождения

Шаипов Арби Ахамдиевич; Эзирбаев Тимур Борисович; Эльсункаева Элина Вахахажиевна; Оздиева Тамила Хаитовна

Естественные и точные науки ••• 103

Natural and Exact Sciences •••

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ Принадлежность к организации

Цыганкова Ирина Петровна, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геологии и физики Земли, Северо-Восточный федеральный университет им. М. К. Аммосова, Магадан, Россия; email: tsigankova@inbox.ru

Принята в печать 05.12.2018 г.

THE AUTHOR INFORMATION Affiliation

Irina P. Tsygankova, Ph.D (Geology and Mineralogy), Associate Professor, Department of Geology and Physics of the Earth, M. K. Ammo-sov North-Eastern Federal University, Magadan, Russia; e-mail: tsigankova@inbox.ru

Received 05.12.2018.

Науки о Земле / Earth Science Оригинальная статья / Original Article УДК 551.588.7:004.9

DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-103-109

Анализ методики дистанционной тепловой съемки

для геоэкологического мониторинга Ханкальского геотермального месторождения

1 Грозненский государственный нефтяной технический университет

им. акад. М. Д. Миллионщикова, Грозный, Россия; e-mail: a.shaipov@gmail.com; elina.elsunkaeva@mail.ru; tami.93.93@mail.ru 2 Комплексный научно-исследовательский институт им. Х. И. Ибрагимова Российской академии наук; e-mail: timersno@mail.ru

РЕЗЮМЕ. Цель - обзор технологии оценки и моделирования состояния качества окружающей среды в промышленных зонах, выброса в атмосферу загрязняющих веществ на базе геоинформационных систем и моделирования окружающей среды с учетом полученных данных своевременного дистанционного наблюдения окружающей среды. Методы. Наблюдение за состоянием окружающей среды в зонах воздействия производственных предприятий минерально-сырьевого комплекса дистанционными методами. Применение беспилотного летательного аппарата Геоскан 201 для синхронной съемки тепловизором Thermophrame-M, параллельно с камерой видимого диапазона, с последующей камеральной обработкой полученных результатов. Результаты. В результате предварительной обработки изображений тепловой инфракрасной съемки и температурных данных на территории мониторинга было выявлено более десятка тепловых аномалий. Интерпретация полученных данных (форма и температура) выделенных аномалий позволила практически определить их источники. Выводы. Наблюдение за тепловыми аномалиями в зонах неконтролируемого выброса, а также слива и применения в хозяйственных целях горячей воды из термальных скважин в районе исследования с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА) Геоскан 201 и тепловизора, показало, что при таком мониторинге можно разбраковывать аномалии по тепловому снимку и определить источник по форме и температуре аномалии.

Ключевые слова: термальные воды, мониторинг, геоскан, теплосъемка, аномалия.

Формат цитирования: Шаипов А. А., Эльсункаева Э. В., Эзирбаев Т. Б., Оздиева Т. Х. Анализ методики дистанционной тепловой съемки для геоэкологического мониторинга Ханкальского геотермального месторождения // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. Естественные и точные науки. 2018. Т. 12. № 4. С. 103-109. 001: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-103109

Analysis of the Remote Heat Shooting Method

for Geoecological Monitoring of Khankala Geothermal Deposit

1 M. D. Millionshchikov Grozny State Oil Technical University, Grozny, Russia; e-mail: a.shaipov@gmail.com; elina.elsunkaeva@mail.ru; tami.93.93@mail.ru 2 Kh. I. Ibragimov Complex Institute of the Russian Academy of Science,

Grozny, Russia; e-mail: e-mail: timersno@mail.ru

ABSTRACT. The aim of the article is the review of technology for assessing and modeling the state of environmental quality in industrial areas, pollutant emissions into the atmosphere based on geo-information systems and environmental modeling taking into account the data obtained from modern remote monitoring of the environment. Methods. Monitoring the state of the environment in areas affected by industrial enterprises of the mineral resource complex using remote sensing methods. The use of a Geoscan 201 unmanned aerial vehicle for simultaneous imaging by a Thermophrame-M thermal imager with camera of the visible range and subsequent cameral processing of the obtained results. Results. From the preprocessing images of thermal infrared shooting and temperature data, more than a dozen thermal anomalies were detected in the monitoring area. Interpretation of the results obtained (form and temperature) for the identified anomalies determine their sources. Conclusions. Geoscan 201 unmanned aerial vehicle and the thermal imager were used in a study of thermal anomalies in areas of uncontrolled emissions and drain and economic use of hot water from thermal wells in the area. From our data we concluded that it is possible to sort out the anomalies by the thermal image and determine the source by the shape and temperature of the anomaly with such monitoring.

Keywords: thermal water, monitoring, geoscan, thermal shooting, anomaly.

For citation: Shaipov A. A., El'sunkaeva E. V., Ezirbaev T. B., Ozdieva T. Kh. Analysis of the Remote Heat Shooting Method for Geoecological Monitoring of Khankala Geothermal Deposit. Dagestan State Pedagogical University. Journal. Natural and Exact Sciences. 2018. Vol. 12. No. 4. Pp. 103-109. DOI: 10.31161/1995-0675-2018-12-4-103-109 (In Russian)

Введение

Термальные воды Чеченской Республики представляют интерес для практического использования. Однако в районах интенсивного промышленного освоения термальных вод неизбежны изменения геологической среды и экологической обстановки.

Эксплуатация месторождений термальных вод на территории Чеченской Республики осуществляло Северо-Кавказское управление по использованию глубинного тепла земли и из года в год использование геотермальных ресурсов возрастало, что привело к необходимости разработки природоохранных мер.

На сегодняшний день на территории Чеченской Республики известно 11 месторождений, а самое крупное из них -Ханкальское.

Ханкальское месторождение термальных вод находится в промышленной экс-

плуатации с 1974 года. На сегодняшний день на месторождении некоторая часть скважин ликвидирована либо не эксплуатируются. Сохранившийся фонд скважин используется для отопления теплиц. Территориально Ханкальское месторождение находится в 10 км к юго-востоку от г. Грозного, Чеченская Республика (рис. 1).

В тектоническом отношении месторождение связано с восточным окончанием Октябрьской антиклинали, к которой также приурочено одноименное нефтяное месторождение.

Скопление геотермальных вод изучаемого месторождения сосредоточено в кара-ган-чокракских отложениях среднего миоцена, который в свою очередь сложен песчаниками с прослоями и линзами глин. Всего на данном участке выделяется до 22 продуктивных пластов, мощность которых изменяется в пределах от нескольких до 5060 м [2; 3].

Естественные и точные науки •

Natural and Exact Sciences •••

Рис. 1. Обзорная карта Ханкальского лицензионного участка

Данные пласты содержат слабо минерализованные термальные воды со средней минерализацией, варьирующейся от 0.6 до 3.5 г/л, а температура вод начинается от 65 и достигает 110 °С. По контуру площадь месторождения составляет примерно 15-20 км2. Основные залежи на термоводозаборе Ханкальской площади, которые находились в промышленной эксплуатации, сосредоточены в ГУ-УП и XIII песчаных пластах караганского горизонта и в XXII пласте чокрака, средняя толщина упомянутых пластов - 43, 46 и 28 м соответственно.

В 2015 году на территории Ханкальского месторождения введена в эксплуатацию геотермальная станция опытно-промышленного назначения, которая реализована по циркуляционной схеме использования глубинного тепла Земли. Циркуляционная схема подразумевает собой работу по принципу полной закачки воды обратно в пласт, а в качестве потребителя тепла выступает тепличный комплекс.

Установка мощностью 8 МВт находится в эксплуатации с начала 2016 г. и работает по вышеописанной системе, где одна скважина (нагнетательная) служит для закачки всего объема отобранной второй добывающей скважиной воды, рециркуляция подразумевает работу станции (рис. 1) [4].

На этапе разработки, а также в ходе эксплуатации залежей геотермальных вод на основе технологии дублетов одними из главных экологических угроз представляют собой утечки и разливы флюида из первичного контура. Для решения этой проблемы необходимо проводить мониторинг эксплуатируемого месторождения [2]. Материалы и методы Экологический мониторинг - это система регулярных, длительных наблюдений в космосе в реальном времени, передающая на землю данные об экологических условиях с целью оценить прошлое и настоящее и дать прогноз экологических параметров, которые являются важными для жизни человека.

Информационная система, с помощью которой обрабатывают результаты экологических наблюдений, а также дают оценку и прогноз изменений в окружающей среде, является неотъемлемой частью комплекса геоэкологического мониторинга.

На сегодняшний день наблюдение за состоянием окружающей среды в зонах воздействия производственных предприятий минерально-сырьевого комплекса производится полевыми и дистанционными методами. К полевым (контактным) методам относится мониторинг, который проводится на стационарных постах наблюдения

и наземными маршрутными исследованиями. Дистанционные же методы представляют собой аэрокосмический мониторинг путем фото и видео съемки, а также лидар-ным (лазерным) зондированием (тепловая, инфракрасная и др. виды съемок) Дистанционные методы широко применяются для контроля состояния окружающей среды [6].

Одним из методов дистанционного зондирования является мониторинг территории с помощью беспилотных авиационных систем (БАС), которые обычно состоят из БПЛА с навесным оборудованием и наземной компьютерной рабочей станцией для планирования и передачи маршрутов полета в БПЛА, а также для мониторинга данных телеметрии БПЛА, антенной линии для отправки или приема данных между БПЛА и наземной станцией, катапульты взлета, если этого требует конструкция БПЛА. Беспилотные воздушные системы впервые получили широкое применение в военных целях, и используются военными, в частности, для выполнения опасных или длительных периодов наблюдения.

БПЛА, иногда также называемые беспи-лотниками, имеют множество различных размеров, форм и конфигураций. Например, размер конфигурации БПЛА варьируется от запускаемого вручную до размера обычного легкого самолета или вертолета, бесхвостых летающих самолетов или вертолетов с несколькими винтами.

Гражданское применение БАС было менее распространено, чем военное. В гражданской или коммерческой сфере существует значительный интерес к использованию БАС для различных целей, таких как наблюдение за безопасностью, поиск пропавших людей, картирование пожаров и удаленных зондирований культивируемых культур или промышленных объектов.

Использование БПЛА в гражданских целях ограничено различными авиационными правилами, которые плохо адаптированы к потребностям беспилотного полета [1; 8].

Однако динамичное развитие индустрии беспилотных летательных и наземных технических средств в совокупности с геоинформационными технологиями, а также адаптация и упрощение правил использования БПЛА в невоенных целях открыло альтернативные методы мониторинга обширных территорий. Один из таких методов использование - БПЛА для

аэрофотосъемки и создания цифровых моделей рельефа, который был проведен на исследуемом авторами месторождении термальных вод [6; 7].

В 2016 г. на исследуемом участке месторождения термальных подземных вод и примыкающей к нему территории была выполнена теплофотосъемка посредством беспилотного летательного аппарата, который был оснащен цифровым фотоаппаратом и устройством для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности (тепловизором).

Ниже будут представлены некоторые результаты фотографической, тепловой и инфракрасной съемки, их анализ и результаты обработки полученных изображений.

Для обнаружения температурных аномалий, возникших в процессе эксплуатации термальных подземных вод на исследуемой территории, использовался БПЛА Геоскан 201, созданный для съемки площадных и протяженных объектов. Данный тип БПЛА может находиться в воздухе в автономном режиме в течение 3 часов, при средней скорости полета 80 км/час.

БПЛА несет до 1 кг полезного груза.

В качестве полезной нагрузки был выбран набор, состоящий из гиростабилизи-рованнаой оптико-электронной системы с тепловизором 640Ч480, 17 мкм, 25 Гц.

Такой набор технических характеристик дает возможность проводить исследование большой территории по размерам и площади. Для взлета беспилотника в небо за-действуется специальная катапульта, посадка же осуществляется на собственном парашюте, который входит в комплектацию БПЛА.

Комплекс выполнен в полностью автономном исполнении, наземный пульт дистанционного управления позволяет вести контроль над процессом на каждом этапе полета.

Расширение снимков MPEG или H.264, стабилизация 2-х осевая, точность 250 мкрад, диапазон вращения по азимуту -без ограничений, по углу места +10-100°.

В ходе исследования для фиксации тепловых аномалий применялся тепловизор Thermophrame-M с параллельно подключенной камерой видимого диапазона, съемка которыми производилась синхронно. Съемки проводились в соответствии с алгоритмами программы GeoScan Planner, являющейся частью наземной станции управления БПЛА. Сшивка снимков осу-

Естественные и точные науки •

Natural and Exact Sciences •••

ществлялась с помощью программы Agisoft PhotoScan по алгоритму накидного монтажа. Общая площадь отснятого участка получилась площадью 3710 м2. Для выполнения данной задачи потребовалось выполнить два полета продолжительностью чуть менее 2,5 часов, что позволило отснять весь участок.

Результаты и обсуждение

В результате обработки данных тепло-съемки на исследуемой территории было выявлено более десятка тепловых аномалий (рис. 2). Интерпретация полученных данных (форм и температура) выделенных аномалий позволила практически определить их источники. [4].

Рис. 2. Фрагмент снимка теплосъемки участка исследования

Кружками выделены скважины, квадратами - аномалии теплосъемки

После камеральных работ было проведено полевое исследование выявленных аномалий. Определение координат проводилось с помощью GPS навигатора Garmin GPSMAP 64ST. Ниже приведем пример оценки достоверности полученных результатов мониторинга с помощью БПЛА, путем сравнения с результатами полевых исследований непосредственно на объекте исследования (рис. 3).

Приведенная выше аномалия связана с разливом горячей воды, имеет температуру 50-55 (условные температурные единицы) и изометричную форму 50х40 пикселей [5].

Заключение

Дистанционное зондирование с помощью БПЛА, проведенное на территории

Ханкальского месторождения, выявило 13 аномалий различного происхождения как по типу и форме, так и по источнику. Результаты данного эксперимента показали возможность контроля экологической обстановки в районе эксплуатируемых месторождений термальных подземных вод с помощью беспилотного летательного аппарата, снабженного необходимой техникой для наблюдений и выявления аномалий, вызванных утечками старых скважин и трубопроводов, сливом использованного флюида и др. Кроме того, подобный мониторинг позволит производить своевременные ремонтные и очистные работы в случае обнаружения дефектов системы, тем самым увеличивая срок ее эксплуатации.

а) Аномалия, зафиксировнная при ислледовании с БПЛА

б) Участок, где зафиксирована аномалия

с) Цветовая градация изменения температуры Рис. 3. Сравнительный анализ результатов тепловой съемки

Проведение экологического мониторинга района эксплуатируемых скважин теплоэнергетических вод с помощью БПЛА Геоскан 201 и тепловизора, показало, что при таком мониторинге можно разбраковывать аномалии по тепловому снимку, и можно по форме и температуре аномалии определить источник.

Разработка месторождений термальных вод всегда сопряжена с такими видами риска, как микроземлетрясения, выброс гидротермального пара, разлив термальной воды и просадка грунта. Посто-

янное наблюдение месторождений геотермальных вод, и разработка методики своевременной оценки и предупреждения состояния качества окружающей среды промышленных объектов, находящихся на таких месторождениях, на базе платформ геоинформационного картографирования окружающей среды с учетом получаемых данных оперативного дистанционного мониторинга, позволят предупреждать возможные экологические и другие риски на ранней стадии или вообще исключить их.

Литература

1. Грядунов Д. А., Митрофанов Е. В., Буб-ненков Д. И. О применении комплексов беспилотных летательных аппаратов в системе многоуровневого экологического мониторинга // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2012. № 4. С. 95-99.

2. Лабазанов М. М., Шаипов А. А., Дамзаев З. М., Оздиева Т. Х. Термальные воды Северного Кавказа // Всероссийский съезд экологов: Сборник тезисов, приуроченный к Году экологии в России. Грозный, 2017. С. 39-49.

3. Керимов И. А., Даукаев А. А., Моисеенко Н. А. Полезные ископаемые Чеченской Республики: справочник. Грозный: Академия наук Чеченской Республики, 2009. 245 с.

4. Фархутдинов А. М., Черкасов С. В., Шаипов А. А., Рыкованов Д. П., Гучигов И. Х. Мониторинг эксплуатации термальных подземных вод с помощью беспилотного летательного аппарата на примере Ханкальского месторождения // Вестник академии наук Респуб-

лики Башкортостан. 2017. Т. 23. № 2 (86). С. 75-82.

5. Фархутдинов А. М., Де Фуке Ш., Минцаев М. Ш., Черкасов С. В. Применение геостатистики для анализа перспектив эксплуатации Ханкальского месторождения теплоэнергетических вод // Геоинформатика. 2015. № 1. С. 60-68.

6. Carrivick J. L., Smith M. W., Quincey D. J., Carver S. J. Developments in budget remote sensing for the geosciences. Geology Today. 2013. Vol. 29. No. 4. P. 138-143.

7. Jordan B. R. A Bird's-eye view of geology: The use of micro drones/UAVs in geologic field-work and education. GSA Today. 2015. Vol. 25. P. 42-43.

8. Зинченко О. Н. Беспилотные летательные аппараты: применение в целях аэрофотосъемки для картографирования (часть 1) // Ракурс. 2011. [Электронный ресурс]. URL: www.racurs.ru/www_download/ articles/UAV_1. pdf (дата обращения: 30.11.2018)

Естественные и точные науки ••• 109

Natural and Exact Sciences •••

References

1. Gryadunov D. A., Mitrofanov E. V., Bubnen-kov D. I. On the use of unmanned aircraft complexes in the system of multi-level environmental monitoring. Vestnik Moskovskogo gosudarstven-nogo oblastnogo universiteta. Seriya: Estestven-nye nauki [Bulletin of Moscow State Regional University. Series: Natural Sciences]. 2012. No. 4. Pp. 95-99. (In Russian)

2. Labazanov M. M., Shaipov A. A., Damzaev Z. M., Ozdieva T. Kh. Thermal water of the North Caucasus. Vserossiyskiy s"ezd ekologov: Sbornik tezisov priurochennyy k Godu ekologii v Rossii [All-Russian Congress of Ecologists: Collection of abstracts dedicated to the Year of Ecology in Russia]. Grozny, 2017. Pp. 39-49. (In Russian)

3. Kerimov I. A., Daukaev A. A., Moiseenko N. A. Poleznye iskopaemye Chechenskoy Respubliki: spravochnik. [Minerals of the Chechen Republic: a Handbook]. Grozny, Academy of Sciences of the Chechen Republic Publ., 2009. 245 p. (In Russian)

4. Farkhutdinov A. M., Cherkasov S. V., Shaipov A. A., Rykovanov D. P., Guchigov I. Kh. Monitoring of the thermal underground water exploitation by

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации

Шаипов Арби Ахамдиевич, кандидат геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой прикладной геологии, Грозненский государственный нефтяной технический университет им. акад. М. Д. Миллионщикова (ГГНТУ им. академика М.Д. Миллионщикова), Грозный, Россия; e-mail: a.shaipov@gmail.com

Эзирбаев Тимур Борисович, кандидат технических наук, доцент кафедры прикладной геолофизики и геоинформатики, ГГНТУ им. академика М. Д. Миллионщикова; научный сотрудник отдела геологии, геофизики и геоэкологии, Комплексный научно-исследовательский институт имени Х. И. Ибрагимова Российской академии наук, Грозный, Россия; e-mail: timersno@mail.ru

Эльсункаева Элина Вахахажиевна, аспирант кафедры прикладной геофизики и геоинформатики, (ГГНТУ им. академика М.Д. Миллионщикова), Грозный, Россия; e-mail: elina.elsunkaeva@mail.ru

Оздиева Тамила Хаитовна, заведующий лабораторией гидрогеологии и экологического мониторинга, (ГГНТУ им. академика М.Д. Миллионщикова), Грозный, Россия; e-mail: tami.93.93@mail.ru

an unmanned aerial vehicle on the example of the Khankal field. Vestnik akademii nauk Respubliki Bashkortostan [Bulletin of the Academy of Sciences of the Republic of Bashkortostan]. 2017. Vol. 23. No. 2 (86). Pp. 75-82. (In Russian)

5. Farkhutdinov A. M., De Fuke Sh., Mintsaev M. Sh., Cherkasov S. V. The use of geostatistics for the analysis of the exploitation prospects of Hankal heat and power water field. Geoinformatika [Geoin-formatics]. 2015. No. 1. Pp. 60-68. (In Russian)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Carrivick J. L., Smith M. W., Quincey D. J., Carver S. J. Developments in budget remote sensing for the geosciences. Geology Today. 2013. Vol. 29. No. 4. P. 138-143.

7. Jordan B. R. A Bird's-eye view of geology: The use of micro drones/UAVs in geologic fieldwork and education. GSA Today. 2015. Vol. 25. P. 4243.

8. Zinchenko O. N. Unmanned aerial vehicles: use for the aerial photography in mapping (part 1). Rakurs [Rakurs]. 2011. Available at: www.racurs.ru/www_download/articles/UAV_1.pd f (accessed 15.11.2018). (In Russian)

THE AUTHORS INFORMATION Affiliations

Arbi A. Shaipov, Ph.D. (Geology and Mineralogy), Head of the Department of Applied Geology, M. D. Millionshchikov Grozny State Oil Technical University (MGSOTU), Grozny, Russia; e-mail: a.shaipov@gmail.com

Timur B. Ezirbaev, Ph.D. (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Applied Geophysics and Geoinformatics, MGSOTU; Researcher, Department of Geology, Geophysics and Geoecology, Kh. I. Ibra-gimov Complex Institute of the Russian Academy of Science, Grozny, Russia; e-mail: tim-ersno@mail.ru

Elina V. El'sunkaeva, Ph.D. student, Department of Applied Geophysics and Geoinformatics, MGSOTU, Grozny, Russia; email: elina.elsunkaeva@mail.ru

Tamila Kh. Ozdieva, Head of the Laboratory of Hydrogeology and Environmental Monitoring, MGSOTU, Grozny, Russia; e-mail: tami.93.93@mail.ru

Принята в печать 26.11.2018 г.

Received 26.11.2018.

Analysis of the Remote Heat Shooting Method for Geoecological Monitoring of Khankala Geothermal Deposit

Текст научной работы на тему «Анализ методики дистанционной тепловой съемки для геоэкологического мониторинга Ханкальского геотермального месторождения»