CC BY
171
Таблица 3 Работа выполнена при поддержке
Средняя биомасса, уровень трофности, доминирующие таксоны зообентоса гранта РФФИ № 08-05-98019-р_
и минерализация воды озер Касмалинской системы и Кулундинской низменности сибирьа.
Библиографический список
1. The lakes handbook. V. 1. Limnology and limnetic ecology / Ed. by PE. O'Sullivan and C. S. Reynolds. - Blackwell Publishing, 2004. - 699 p.
2. Биология солоноватых и гипергалинных вод / Под ред. Н.В. Аладина и В.В. Хлебовича. - Л., 1989. - 142 с. (Тр. Зоол. ин-та АН СССР, т. 196).
3. Благовидова, Л.А. Влияние факторов среды на зообентос озер юга Западной Сибири / Л.А. Благовидова // Гидробиологический журнал - 1973. - Т. 9, № 1.
4. Руководство по гидрохимическому анализу поверхностных вод суши / Под ред. А.Д. Семенова. - Л.: Гидрометео-издат, 1977.
5. Руководство по гидробиологическому мониторингу пресноводных экосистем / Под ред. В.А. Абакумова. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.
6. Комплексная экологическая классификация качества поверхностных вод /
О.П. Оксиюк, В.Н. Жукинский, П.Н. Брагинский [и др.] // Гидробиол. журн. -1993. - Т. 29, № 4.
7. Алекин, О. А. Основы гидрохимии / О. А. Алекин. - Л.: Гидрометеоиздат, 1953.
8. Посохов, Е.В. Ионный состав природных вод. Генезис и эволюция / Е.В. Посохов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1985.
9. Никольская, Ю.П. Процессы солеобразования в озерах и водах Кулундинской степи / Ю.П. Никольская. - Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961.
10. Китаев, С.П. О соотношении некоторых трофических уровней и «шкалах трофности» озер разных природных зон / С.П. Китаев // V съезд Всерос. гидроб. об-ва, ч. 2. - Куйбышев, 1986.
11. Безматерных, Д.М. Уровень минерализации воды как фактор формирования зообентоса озер Барабинско-Кулундинской лимно биологической области / Д.М. Безматерных // Мир науки, культуры, образования. - 2007. - № 4 (7).
Статья поступила в редакцию 12.03.09
Озера Минера- лизация, г/л Числен- ность, экз./м2 Био- масса, г/м2 Уровень трофности по С.П. Китаеву [10] Количество видов Доминирующие таксоны
Сухая степь
Кулун- динское 122,17- 125,54 357,5 1,28 Бета- олиготрофный 3 Scathophagidae Ephydridae Cеratopogonidae
Пресное 24,92- 25,37 1215,5 2,42 Бета- олиготрофный 5 Ephydridae Cеratopogonidae Chironomidae
Без названия 83,15- 89,28 3503,5 5,11 Альфа- мезотрофный 3 Ephydridae Cеratopogonidae
Умерено засушливая степь
Г орькое 15,4-16,14 1143,6 6,8 Бета- мезотрофный 13 Heteroptera Cеratopogonidae Chironomidae
Угловое 3,23-3,29 3153 11,44 Альфа- эвтрофный 11 Chironomidae Cеratopogonidae Hirudinea
Большое Остров- ное 10,07- 10,17 350 1,85 Бета- олиготрофный 4 Chironomidae
Южная лесостепь
Ледорез- ное 88 со со о" о" 428,7 4,2 Альфа- мезотрофный 7 Chironomidae
Мель- ничное 0,557- 0,748 2002 10,1 Альфа- эвтрофный 15 Chironomidae Odonata Ephemeropthera Thrichoptera
УДК 528.94
И.Н. Ротанова, канд. географ. наук, доцент, зам. директора по НР ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, В.Г. Ведухина, канд. географ. наук, н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул,
Ю.М. Цимбалей, канд. географ. наук, в.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул
ВОДНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
Рассмотрены основные принципы и подходы водно-экологического картографирования с использованием геоинформа-ционных технологий. Приведены основные результаты апробации предложенной методики.
Ключевые слова: ГИС-технологии водно-экологическое картографирование, подситемы водно-экологических ГИС.
Исследования проблем качества водных ресурсов включают разработку и применение новых методов комплексного анализа разнородных данных о состоянии природной среды и ее отдельных компонентов, их пространственной и временной ординации, визуализации полученных результатов для принятия управленческих решений. В этом отношении широкие возможности для анализа состояния водных объектов и водосборных бассейнов открываются на основе использования геоинформационных подходов.
Развитие геоинформатики открыло новые возможности для картографического моделирования состояния окружающей среды в целом и в том числе для водно-экологического кар-
тографирования, которое позволяет анализировать и оценивать экологическое состояние водных объектов и способствовать решению вопросов охраны водных ресурсов.
Научная новизна предлагаемых результатов исследований заключается в практической апробации выполненных разработок: создании на основе геоинформационных средств серии картографических произведений водно-экологического содержания на территорию субъекта РФ, отдельные административные районы, бассейны рек, озер, отдельные населенные пункты, некоторые примеры которых приводятся в настоящей статье.
Для полноценного научного оформления рассматриваемого направления понадобилось научное обобщение опыта работ, разработка единого методологического подхода к созданию водно-экологических карт с выделением основных принципов исследования, тематическое наполнение подсистем водно-экологических ГИС.
Среди общенаучных принципов, применимых к водно-экологическому картографированию с использованием ГИС-тех-нологий наиболее важными являются принципы системности картографирования и картографического моделирования.
Первый принцип определят: выбор объекта оценки (система «объект-среда»); центрального субъекта оценки; целевой ориентации; критериев объективности информации; логичность, внутреннее единство и тематическое содержание карт, используемыхых в водно-экологических исследованиях.
Принцип картографического моделирования включает: математическую формализацию, картографическую символизацию, картографическую генерализацию, открытость легенды, картографическую комплексность и синтезацию.
В обобщающем виде ГИС представляет информационную систему, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных. Структура водно-экологической ГИС состоит из подсистем, которые отражают особенности объекта исследования и наблюдений над ним.
Подсистема сбора данных служит для определения источников информации, проведения оценки ее качества, разделения на первичную и вторичную, предпроцессорной подготовки данных. При создании водно-экологической ГИС основными источниками первичных данных являются топографические и тематические карты, сведения государственного водного реестра и государственного мониторинга водных объектов. К вторичной информации относятся картографические и атрибутивные данные, полученные в результате обработки, анализа или интерпретации исходных материалов.
Подсистема ввода данных включает в себя операции по переводу аналоговых данных в цифровое представление. Параллельно с вводом необходимо ведение реестра данных ГИС (как графических, так и атрибутивных). Реестр дает возможность осуществлять поиск, вести контроль и статистику.
Подсистема хранения данных. Для управления этой подсистемой используется интерфейс, с помощью которого создается и преобразовывается графическая и текстовая информация непосредственно в среде ГИС, либо производится передача управления по ее вводу во внешние (по отношению к ГИС) программные инструменты. Основу подсистемы организации и хранения данных водно-экологической ГИС составляют картографические (КБД) и атрибутивные базы данных (АБД), содержащие информацию о водных объектах и их бассейнах.
Подсистема информационной обработки КБД и АБД включает поиск и формирование выборки объектов и информации, вычисление статистических показателей, пространственное моделирование или заполнение стандартных форм вывода данных.
Подсистема анализа и моделирования состоит из различных по своим функциональным назначениям блоков: статистики, картографического и математико-картографического моделирования.
В блоке статистики вычисляются такие характеристики, как количество, сумма, максимальное, минимальное, среднее, среднеквадратическое отклонение, коэффициенты вариации, асимметрии для выборки, полученной путем формирования запроса относительно периода наблюдений по годам и по месяцам.
Водно-экологическая ГИС должна иметь аппарат построения цифровых картографических моделей изучаемых объектов и явлений. Наиболее распространенным способом представления данных является создание векторных нетопологических данных (изолинии, контуры рек и водохранилищ). Моделирование происходит с использованием методов пространственной интерполяции или экстраполяции.
Под математико-картографическим моделированием (МКМ) понимают построение и анализ математических моделей по данным, снятым с карты, а также создание новых производных карт на их основе. При этом образуются цепочки и циклы: карта - математическая модель - новая карта - новая математическая модель. Ценность МКМ заключается в том, что его можно использовать как для выявления водно-экологических закономерностей, взаимосвязей и взаимодействий, так и для определения неоднородностей водного объекта или водосбора. Как правило, реализация МКМ базируется на основе корреляционного, факторного и кластерного анализа, создания регрессионных моделей. Картографирование полученных результатов моделирования позволяет получить новое видение водных объектов и их характеристик [1].
В подсистеме визуализации реализуются различные способы отображения (картографические, графические, табличные и др.) как исходной информации, так и результатов моделирования. Создание картограмм, картодиаграмм, сложных легенд или других форм представления пространственной тематической информации дает возможность кругу пользователей выполнять анализ изучаемых процессов и явлений.
Подсистема вывода данных служит для создания форм стандартных компоновок и отчетов. Для каждого исследуемого объекта или группы существуют свои компоновки, учитывающие их особенности. Использование такого подхода позволяет сформировать набор форм, включающий их основные характеристики.
Из перечисленных подсистем одной из наиболее значимых и отражающих тематическую ориентацию ГИС является подсистема хранения данных. Поэтому важнейшим этапом эколого-географических исследований является разработка структуры баз геоданных, которая определяется, в первую очередь, целями, задачами и объектом картографирования, практической направленностью карт, масштабом, пространственным охватом и рядом других характеристик и т.д. [2-3].
В качестве примера апробации предлагаемой методики можно привести разработанные в настоящее время тематическое содержание и структуру водно-экологической базы геоданных, характеризующие уровень и природно-антропогенные факторы загрязнения поверхностных вод на региональном и субрегиональном уровнях (на примере территории Алтайского края и бассейна р. Алей). При этом в качестве основных тематических блоков выделяются следующие карты: базовые «адресные», качества поверхностных вод, условий самоочищения поверхностных вод, антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны, комплексная ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод.
Базовые «адресные» карты представляют собой цифровую картографическую основу тематического картографирования с соответствующей атрибутивной базой геоданных.
Карты качества поверхностных вод отображают уровень загрязнения поверхностных вод по индексу загрязнения воды (ИЗВ) и кратность превышения нормативов по основным показателям, характеризующим уровень загрязнения водных объектов.
Карты условий самоочищения поверхностных вод отображают условия самоочищения поверхностных вод за счет трансформации загрязняющих веществ интегральных условий самоочищения рек (с учетом трансформации и разбавляющей способности), согласно методике В.А. Скорнякова с соавт. [4].
Карты состояния поверхностных вод
Синтетические оценочные
Карта качества поверхностных
Карты условий самоочищения поверхностных вод
Комплексные оценочные
Карта качества поверхностных
Карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод
Уровень загрязнения поверхностных вод (ИЗВ)
Очень чистые (< 0,3)
Чистые (0,3-1,0)
Умеренно загрязненные (1,0-2,5) Загрязненные (2,5-4,0)
Грязные (4,0-6,0)
Очень грязные (6,0-10,0) Чрезвычайно грязные (> 10,0)
Условия самоочищения поверхностных вод с учетом трансформации загрязняющих веществ
Д благоприятные (1 класс)
Д относительно благоприятные (2 класс) А средние (3 класс)
А неблагоприятные (4 класс)
Условия самоочищения поверхностных вод с учетом трансформации и разбавляющей способности
Уровень загрязнения по основным показателям (доли ПДК и нормативов)
Уровень загрязнения поверхностных вод ; Очень чистые • ~ Чистые
Л: Умеренно загрязненные Загрязненные Грязные Очень грязные Л: Чрезвычайно грязные
очень хорошие (1 класс) хорошие (2 класс) относительно хорошие (3 класс) средние (4 класс) плохие (5 класс) очень плохие (6 класс)
Показатели качества воды
□ БПК.
□ ХПК
1~~1 Азот аммонийный 1~~1 Азот нитритный I I Фенолы 1~~1 Фосфаты 1~~1 Нефтепродукты I—I СПАВ
| I Кислород растворенный 1—1 Железо общее 1~~1 Медь
Карты антропогенной нагрузки на поверхностны? вед
Частные инвентаризационные
Частные оценочные
Комплексные оценочные
Карты антропогенной нагрузки на водные объекты
Карты антропогенной нагрузки на водосборные бассейны
Карты антропогенной нагрузки на водные объекты
Карты антропогенной нагрузки на водосборные бассейны
Карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод
Водоотведение сточных вод в реки и озера , куб.м
^ Структура загрязняющих у веществ, поступающих со сточными водами предприятий
•к
Основные загрязняющие вещества, поступающие со сточными водами предприятий Азот аммонийный (>• Азот нитритный С> Азот нитратный Железо общее о СПАВ
Фосфор общий
Объем водоотведения сточных вод по замыкающим створам рек, тыс. куб.м.
Структура водоотведения сточных вод по замыкающим створам рек
^^промышленные
городских населенных пунктов
^>-сельских населенных пунктов
других источников загрязнения
Количество вносимых минеральных / органических удобрений / ядохимикатов, тонн
□ 0-10 / 0-100 / 0-10
□ 11-50 / 101-500 / 11-50 Щ| 51-100 / 501-1000 / 51-100
□ 101-500 / 1001-5000 / 101-150
□ 501-1000 / 5001-10000 / 151-200
I—11001-5000 / 10001-50000 / 201-250
□ >5000 / >50000 / >250
Водоотведение сточных вод в отстойники, поля фильтрации, неорганизованное водоотведение, куб.м
Суммарный показатель загрязнения снежного покрова*
□ 0-100
□ 101-500
□ 501-1000
□ 1001-1500
□ >15000
Модуль стока, л/с км.кв.
□ 0-0,6
□ 0,61-1,89 I—I 1,9-2,5
□ 2,51-5,04 I—I >5.04
*
Группы ландшафтов по положению в ряду геохимического сопряжения
1~1 Группа элювиальных ландшафтов I I Группа аккумулятивно-элювиальных ландшафтов 1~~1 Группа трансэлювиальных ландшафтов 1_1 Группа трансаккумулятивных ландшафтов 1~1 Группа супераквальньк ландшафтов I I Группа субаквальных ландшафтов Густота речной сети, км/км.кв □ 0-0,1 □ 0,11-0,2 I—I 0,21-0,4
□ 0,41-0,6
□ >0,6
Эродированность почвенного покрова | I Эрозионноопасные 1~~1 Слабо подверженные водной эрозии 1_1 Средне подверженные водной эрозии 1~1 Сильно подверженные водной эрозии 1~1 Дефляционноопасные 1~~1 Слабо подверженные ветровой эрозии 1_1 Средне подверженные ветровой эрозии | I Сильно подверженные ветровой эрозии
Ранжирование водных объектов по коэффициенту разбавления сточных вод (уровень антропогенной нагрузки)
I ч (очень низкий)
I 12 (низкий)
I 13 (средний)
1~~14 (высокий)
1~~15 (очень высокий)
Ранжирование бассейнов по удельному количеству вносимых органически, минеральных удобрений, ядохимикатов, по водоотведению, загрязнению снежного покрова, (уровень антропогенной нагрузки)
1~11 (очень низкий)
I 12 (низкий)
I 13 (средний)
1~~|4 (высокий)
1~~15 (очень высокий)
Ранжирование бассейнов по потенциалу выноса загрязняющих веществ: с учетом залесенности, эродированности почвенного покрова, ландшафтным условиям, густоте речной сети, модулю поверхностного
I 11 (очень низкий) 1~~12 (низкий)
I—13 (средний)
1~~14 (высокий)
1~~15 (очень высокий)
Ранжирование водных объектов и их бассейнов по уровню антропогенной нагрузки
I I 1 (очень низкий)
1~~1 2 (низкий)
1~~1 3 (средний)
I I 4 (высокий)
1~~1 5 (очень высокий) Структура природноантропогенных факторов, определяющих качество поверхностных вод
вш
Антропогенные факторы ^^водоотведение в реки и озера
I ¡загрязнение снежного покрова Агрогенное преОразование территории
¡несение органических удобрений
Природные факторы юдуль поверхностного стока
яду геохимического опряжения |__|эрод ированность печвеооеге окрова
Залесенность, %
□ <10
□ 10-30 I—131-40 I—141-60
□ >60
Примечание: * помечены условные знаки, используемые только при картографировании на субрегиональном уровне
Рис. Унифицированная легенда карт водно-экологической тематики
Исследования поддержаны грантом РФФИ № 07-05-00869.
Карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны включают инвентаризационные и оценочные слои. Инвентаризационные слои отображают абсолютные значения исходных показателей. Оценочные слои отображают ранжирование объектов картографирования по показателям антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны и возможности выноса загрязняющих веществ в водные объекты.
Комплексная карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и загрязнению поверхностных вод обобщает содержание частных оценочных карт на качественно новом уровне. На основе комплекса показателей антропогенной нагрузки на поверхностные воды, природных условий выноса загрязняющих веществ с территорий водосборов и самоочищения поверхностных вод выделяются кластерные группы водных объектов и их водосборных бассейнов, которые ранжируются по уровню антропогенной нагрузки. Для определения уровня загрязнения поверхностных вод используется совместный пространственный анализ карт качества поверхностных вод по постам общегосударственной сети наблюдения за окружающей средой (ОГСН) и информационного слоя, отображающего уровень антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны. Такая оценка уровня антропогенной нагрузки и загрязнения поверхностных вод возможна для любого створа водосборного бассейна.
Помимо разработанной структуры баз геоданных для данной проблемноориентированной ГИС предлагается адаптированная под тематическое содержание легенда (рис.), которая представляет систему условных знаков, способствующих не только формированию пространственного образа отображаемого явления, но и выявлению взаимосвязей между показателями [5].
В качестве другого примера можно привести использование ГИС для анализа водохозяйственной обстановки бассейна р. Алей. На базе стандартных функциональных возможностей ГИС на примере бассейна р. Алей апробирована система оценки и геоинформационно-кар-тографического представления уровня экологически безопасного водопользования, основанная на площадной оценке запасов подземных вод (в контексте ландшафтно-бассейнового подхода), анализе данных по уровню допустимого и фактического (на базе статотчетности) их изъятия и мониторинге ежегодного во-допотребления.
Библиографический список
1. Тикунов, В.С. Моделирование в картографии / В.С. Тикунов. - М.: Изд-во МГУ, 1997.
2. Экология России в картах / Н.Н. Комедчиков, А.А. Лютый, Д.С. Асоян [и др.] // Изв. РАН. Сер. Геогр. - 1994. - № 1.
3. Комплексное экологическое картографирование (Географический аспект): Учеб. пособие / Под ред. Н.С. Касимова Н.С. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997.
4. Скорняков, В.А. Картографирование условий самоочищения природных вод / В.А. Скорняков, Ю.С. Даценко, В.В. Масленникова /
/ Вестн. Моск. ун-та. Сер 5. География. - 1997. - № 5.
5. Васмут, А.С. Унифицированная система условных знаков для туристических карт / А.С. Васмут, РВ. Атоян, И.А. Дубровец // Геодезия и картография. - 1993. - № 7.
Статья поступила в редакцию 14.03.09
УДК 911.37: 911.9
И.Д. Рыбкина, канд. географ. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул
РОЛЬ ГОРОДОВ В ФОРМИРОВАНИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ В АЛТАЙСКОМ КРАЕ: ЗАДАЧИ ГОРОДСКОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ
Обобщены материалы по проблемам загрязнения городов и промышленных центров Алтайского края. Анализируемые данные позволяют в полном объеме представить роль крупных населённых пунктов края в формировании его экологической ситуации. Выделены отрасли и предприятия, которые являются основными загрязнителями окружающей природной среды. Приводятся результаты исследований урбоэкосистем Барнаула и Бийска. Намечены перспективные направления городской экологической политики в крае.
Ключевые слова: экологические проблемы, промышленный город, загрязнение, качество городской среды, городская экологическая политика.
Алтайский край в целом характеризуется благоприятной экологической ситуацией. Однако региональная обстановка не исключает проявления локальных экологических проблем, среди которых наиболее значимы загрязнение воздуха, воды и почвы, накопление промышленных и бытовых отходов. Основными источниками загрязнения окружающей природной среды являются предприятия по выработке тепла и электроэнергии (58,8 %), по производству и переработке сельскохозяйственного сырья (9,1 %), химии и нефтехимии (6,9 %), автомобильный транспорт (2,5 %)1.
прочие
населенные
Барнаул
21%
Белокуриха
1%
Змеиногорск
1%
Камень-на-Оби 2%
Рис. 1. Доля городов Алтайского края в валовых выбросах загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников
Ежегодно в атмосферу края выбрасывается 200-250 тыс. т загрязняющих веществ, отходящих от стационарных источников, из них 75-80 % - на территории городов [1]. На долю одного только г. Барнаула приходится более 20 % валовых выбросов в крае (рис. 1). За последние пять лет отмечается тенденция сокращения выбросов загрязняющих веществ практически во всех городах края, исключение - гг. Рубцовск и Яровое (рис. 2).
Проблемы загрязнения водных объектов Алтайского края также преимущественно связаны с городскими территориями. По данным за 2007 год, сброс сточных вод в крае составил свыше 270 млн. м3, из них 53,6 % сброшено нормативно-очищенными. При этом на долю предприятий гг. Барнаула и Бий-ска приходится 44,0 % и 42,0 %, соответственно (рис. 3).
За период 2004-2007 гг. отмечается тенденция сокращения объёмов сброса сточных вод в Алтайском крае (на 3,4 %), в том числе загрязнённых - на 27,3 %, нормативно-очищенных - на 7,3 % [2]. Категорию загрязнённых сточных вод по данным 2007 года (рис. 4) образуют в основном стоки предприятий г. Рубцовска (41 % объёмов загрязнённых сточных вод края) и г. Барнаула (26 %), нормативно-очищенных - преимущественно стоки предприятий г. Барнаула (76 % объёмов нормативно-очищенных стоков края). За указанный период в Рубцовске произошло сокращение объемов загрязнённых стоков на 35,0 %. В Барнауле объёмы загрязнённых вод уменьшились на 22,5 %, а нормативно-очищенных - на 5,0 %.
В общую картину загрязнения в Алтайском крае свой вклад вносит накопление бытовых и промышленных отходов. Ежегодно в крае образуется около 1300-1500 тыс. м3 твердых бытовых отходов (ТБО). Главными производителями ТБО являются города: Барнаул, Бийск, Рубцовск, Новоалтайск и Заринск (рис. 5). Отметим, что в четырех из названных городов наблюдается тенденция увеличения ТБО (в среднем на 10 %).
1 Здесь и далее анализируются данные Территориального органа Федеральной службы государственной статистики по Алтайскому краю,
Главного управления Алтайского края по природным ресурсам и охране окружающей среды (ГУПР), Территориального отдела водных ресур-
сов по Алтайскому краю Верхне-Обского бассейнового водного управления (БВУ).
