Гис-технологии при оценке воздействия пусков ракет-носителей на окружающую среду

УДК 504.064.2

О.В. Черницова1, Н.С. Касимов2, Т.В. Королева3, П.П. Кречетов4

ГИС-ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ОЦЕНКЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПУСКОВ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ5

В статье рассмотрены вопросы использования ГИС-технологий при оценке воздействия ракетно-космической техники на окружающую среду. Подробно охарактеризовано содержание созданных баз данных ГИС для районов падения отделяющихся частей ракет-носителей. Разработанная структура баз данных опирается на анализ техногенных и природных факторов, определяющих характер воздействия на экосистемы районов падения. Особое внимание уделено структуре базы геоданных, в которой хранится информация о компонентах природной среды и их характеристиках. Предложенная структура ГИС позволяет эффективно осуществлять всесторонний анализ накопленной информации.

Ключевые слова: ракетно-космическая деятельность, окружающая среда, оценка воздействия, ГИС-технологии, базы данных, тематические карты природы.

Введение. В Российской Федерации систематическое и целенаправленное изучение экологических последствий эксплуатации ракетно-космической техники осуществляется с 90-х гг. прошлого века. Исследования, проводимые сотрудниками географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках программ по изучению влияния пусков ракет-носителей с космодрома «Байконур» на окружающую среду, показали, что наиболее сильно воздействие ракетно-космической деятельности проявляется в районе старта (в позиционном районе космодрома) и в районах падения отделяющихся частей ракет-носителей [1, 3—6].

Позиционный район космодрома «Байконур» занимает значительную площадь (650 тыс. га), с точки зрения природопользования он представляет собой территориально-производственный комплекс, экосистемы которого испытывают нагрузки не только в результате специфического воздействия, связанного с пусками ракет-носителей, но и в результате деятельности различных промышленных объектов (котельные, строительные базы, ремонтные мастерские и т.п.), расположенных на его территории. Проблемы обеспечения экологической безопасности позиционного района космодрома «Байконур» в статье не рассматриваются.

Районы падения отделяющихся частей ракет-носителей (РП ОЧ РН) относятся к наземной космической инфраструктуре. Цель исследований — рассмотреть структуру ГИС для районов падения

ОЧ РН, в частности организацию хранения данных, обеспечивающую эффективный анализ информации для изучения влияния пусков ракет-носителей на окружающую среду.

Особенности воздействия пусков ракет-носителей на экосистемы районов падения. Районы падения расположены в Республике Казахстан и в Российской Федерации на значительном удалении от позиционного района космодрома (от 300 до 1600 км) в различных природных зонах, эти районы имеют площадь несколько сотен квадратных километров. Основные виды воздействия ракетно-космической деятельности на окружающую среду в районах падения — механические повреждения и химическое загрязнение компонентов экосистем. Характер воздействия на экосистемы районов падения определяется техногенными и природными факторами.

К техногенным факторам относятся: тип ракеты-носителя; степень токсичности используемого топлива; интенсивность эксплуатации района падения; особенности отделяющихся частей ракет-носителей. Наибольшие экологические нагрузки испытывают районы, где падают первые ступени ракет-носителей, использующих в качестве топлива несимметричный диметилгидразин (высокотоксичное вещество первого класса опасности). При падении первая ступень от удара о землю разрушается, горючее воспламеняется, при этом чаще всего происходит взрыв остатков ракетного топлива.

1 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, науч. сотр., e-mail: olchernitsova@mail.ru

1 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, декан географического факультета; академик РАН, e-mail: secretary@geogr.msu.ru

3 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, ст. науч. сотр., канд. геогр. н., e-mail: korolevat@mail.ru

4 Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, доцент, канд. биол. н., e-mail: krechetov@mail.ru

5 Работа выполнена при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (госконтракт 02.740.11.0337).

Фрагменты ступени разлетаются на расстояние до 100—120 м от места падения, что приводит к механическим нарушениям почвенно-растительного покрова. Компоненты ракетного топлива (КРТ) частично сгорают, проникают в грунт или испаряются. В результате попадания разлившегося топлива на поверхность земли образуются контрастные локальные аномалии радиусом не более 10—15 м. Даже при интенсивной эксплуатации районов (более 200 пусков за 40 лет) площадь экосистем, нарушенных непосредственно в результате падения отделяющихся частей ракет-носителей, составляет менее 1% от площади всего района.

Вторые ступени падают с большой высоты (140—160 км), при входе в плотные слои атмосферы они, как правило, разрушаются и попадают на землю в виде множества фрагментов. Можно утверждать, что падение вторых ступеней ракет-носителей не сопровождается проливом остатков топлива на почву. Наблюдается исключительно точечное загрязнение почвы под фрагментами отделяющихся частей, в полостях которых остается незначительное количество топлива. Механические повреждения почвенно-растительного покрова в местах падения фрагментов вторых ступеней, как правило, незначительны [6]. Негативные последствия для экосистем в результате падения отделяющихся частей ракет-носителей зависят от устойчивости экосистем.

Природные факторы, обусловливающие устойчивость экосистем в районах падения к химическому воздействию, можно объединить в три группы [2]. В первую группу попадают показатели, определяющие интенсивность самоочищения среды: степень расчлененности поверхности, особенности геоморфологического строения территории, характеристики поверхностного стока, особенности гидрогеологических условий местности, метеорологические показатели (количество осадков, скорость ветра, вероятность возникновения пыльных или снежных бурь и т.п.). Вторая группа — это показатели, отвечающие за возможные формы и интенсивность преобразования продуктов техногене-за (параметры почвенного климата, биохимическая активность, общее количество солнечной радиации, сумма температур выше ноля градусов и т.д.). Третья группа характеристик природной среды, контролирующих исходную емкость и возможную прочность закрепления продуктов техногенеза и их метаболитов в местных ландшафтах, включает показатели сорбционной емкости почв и пород, кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия, минералогический и гранулометрический состав, количество органического вещества, элементный состав почв и грунтов, а также характеристики геохимических барьеров и биогеохимической специализации растительных сообществ. К при-

родным факторам, обусловливающим устойчивость экосистем в районах падения к механическим повреждениям, можно отнести прочностные свойства почв и грунтов и характер растительного покрова территории.

ГИС-технологии в экологических исследованиях в районах падения РН. Комплексная оценка воздействия ракетно-космической техники на природную среду в районах падения связана с обработкой большого объема картографической и тематической информации, поэтому на всех стадиях экологических исследований активно применяются геоинформационные технологии. При изучении экологических последствий воздействия ракетно-космической деятельности на экосистемы районов, где падают РН, ГИС используется для решения следующих задач:

— систематизация и обработка информации о характере и видах воздействия ракетно-космической деятельности (РКД) на окружающую среду, а также о состоянии компонентов экосистем территорий, подверженных воздействию РКД;

— моделирование изменения свойств компонентов экосистем при различной интенсивности воздействия;

— прогноз трансформации ландшафтов в условиях различной интенсивности эксплуатации районов падения;

— составление оценочных карт величин критических нагрузок КРТ в зависимости от природных особенностей территорий;

— прогноз ситуаций, возникающих при воздействии РКД на окружающую среду;

— обеспечение заинтересованных организаций информацией для подготовки и принятия решений.

Геоинформационная система «Космодром "Байконур"», разработанная на географическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова совместно с ФГУП «Центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры», представляет собой совокупность взаимосвязанных ГИС-проектов (далее ГИС), реализованных с использованием коммерческого программного продукта ArcGIS 9.2 компании ESRI. Помимо ГИС для районов падения отделяющихся частей ракет-носителей в нее входят справочная ГИС по всем объектам РКД, относящимся к космодрому «Байконур», и ГИС позиционного района космодрома [5].

Структуру ГИС для районов падения (рис. 1) разрабатывали с учетом многолетнего опыта экологических исследований, которые включают комплексную оценку состояния природной среды и полевое экспериментальное моделирование изменения свойств компонентов экосистем при различных величинах поступления компонентов ракетного топлива в ландшафт. При формировании ГИС районов падения использованы также фондовые и литературные материалы, характеризующие природную сре-

Систематизация и ввод информации

•Экологические исследования в районах падения 04 РН

•Фондовые и литературные данные

•Техническая информация об источниках воздействия

Д.1 ~

Хранение информации •БГД «Техногенная нагрузка на район падения 04 РН» •БГД «Обследование мест падения» •БГД «Характеристика района падения ОЧ РН» •БГД «Результаты экспериментального моделирования»

11 ~

Инструменты пространственного анализа АгсС18 9.2

ГИС-анализ устойчивости компонентов экосистем на основании их свойств и данных о фактическом загрязнении РП

Модели поведения КРТ в компонентах природной срсды, экспертные оценки

Разработка критериев количественной оценки устойчивости экосистем

Представление информации

•Карта устойчивости экосистем к воздействию ракетно-космической техники •Прогнозная карта поведения компонентов ракетного топлива в экосистемах •Карты критического уровня загрязнения и критических нагрузок на экосистемы •Базы данных с результатами прогноза воздействия ракетно-космической техники на экосистемы при различной интенсивности эксплуатации РП

XL

Принятие управленческих решений по эксплуатации района падения

•Разработка программ мониторинговых наблюдений в подтверждение прогноза •Определение технологий проведения природоохранных мероприятий •Оценка экологических рисков для различных РП

Рис. 1. Структура ГИС «Район падения ОЧ РН»

ду РП, и техническая информация об источниках воздействия.

Организация данных. Созданные для каждого района падения отделяющихся частей ракет-носителей геоинформационные системы имеют одинаковую структуру хранения информации. Вся тематическая и картографическая информация, необходимая для проведения экологических исследований, организована в виде четырех баз геоданных (БГД)6, первая содержит тематическую информацию о техногенной нагрузке на районы падения, вторая — результаты экологических обследований мест падения, третья — картографическую и те-

матическую информацию о районе падения и его природных характеристиках, четвертая — данные экспериментального моделирования изменения компонентов экосистем под воздействием ракетно-космической техники (рис. 2).

Первые две базы геоданных включают таблицы, в которых хранится различная тематическая информация. База геоданных «Техногенная нагрузка на район падения» содержит сведения о датах и координатах мест падения за весь период эксплуатации района, а также основные технические характеристики ракет-носителей, отделяющиеся части которых падают в данный район, информацию о компонентах ракетного топлива и их поведении в различных природных средах.

База геоданных «Обследование мест падения» включает несколько таблиц с информацией о проведении крупномасштабных экологических исследований на местах падения. Помимо координат мест падения в этих таблицах хранятся их описания: характеристика состояния компонентов экосистем, нарушенных в результате падения (данные о нарушении почвенного покрова, попадании обломков в водоемы, наличии следов пожара и т.п.), и экосистем фоновых участков; положение фрагментов ступени на местности; характеристика мест разделки обломков; метеорологические условия на момент падения; данные о точках отбора проб и результатах химических анализов. Координаты мест падения используются для их пространственного отображения на соответствующем картографическом слое, хранящемся в базе геоданных «Характеристика района падения ОЧ РН».

База геоданных «Характеристика района падения ОЧ РН» состоит из двух наборов пространственных данных: топографической основы и тематических карт природы. Помимо картографической информации в базу геоданных включены различ-

6 Под базой геоданных в программном продукте АгсО!8 понимается совокупность географических данных, организованных в виде классов пространственных объектов, таблиц и других элементов хранения (классов отношении, классов аннотации и т.д.). В классах пространственных объектов хранятся однородные географические объекты, имеющие одинаковый набор характерных признаков. Классы пространственных объектов объединяются в набор пространственных данных, который позволяет логически сгруппировать географические данные, относящиеся к одной территории. Кроме того, в наборах данных можно использовать дополнительные элементы, например классы отношений н классы аннотаций, обеспечивающие более эффективное хранение и визуализацию информации. Так, в классах отношений определенным образом сохраняются связи между пространственными объектами и записями в таблицах, что упрощает работу с базой тематических данных. В классах аннотаций хранятся надписи к пространственным объектам, при этом сами надписи имеют географическую привязку и определенные свойства.

ГИС «Район падения ОЧ РН»

О

Техногенная нагрузка на район падения ОЧ РН

О

р База данных по местам падения

II Характеристика ракет-носителей

II Характеристика основных загрязнителей и их свойств

Обследование мест падения

Р1 Характеристика мест падения

Метеоусловия на момент падения

Расположение фрагментов ОЧ РН

Р1 Пробоотбор на местах падения

Характеристика района падения ОЧ РН

ГН Топографическая основа района '—' падения

Г~Н Тематические карты природы !—' района падения

[Р5  Характеристика компонентов \ природной среды

Результаты экспериментального моделирования

1= = ч Таблицы с результатами 1 полевых экспериментов

Рис. 2. Структура хранения информации в базах геоданных ГИС «Район падения ОЧ РН»: 1 — база геоданных; 2 — таблица;

3 — набор пространственных данных

ные таблицы с характеристиками компонентов природной среды, которые через классы отношений связаны с соответствующими тематическими слоями (рис. 3).

За базовый масштаб при проведении экологических исследований в районах падения принят масштаб 1:100 000. Картографические слои топографической основы (водные объекты, населенные пункты, дороги, линии электропередач и т.д.) оцифрованы по топографическим картам соответствующего масштаба и привязаны к геодезической системе координат. В набор данных «Топографическая основа» включены также классы объектно-связанных аннотаций, в которых хранятся топонимы различных природных и социально-экономических

объектов. Кроме того, в набор «Топографическая основа» включены слой района падения (как правило, РП имеет форму эллипса) и слой «Места падения ОЧРН», созданный по координатам, хранящимся в таблице «Характеристика мест падения» (рис. 2).

В этот набор пространственных данных включена также цифровая модель рельефа (ЦМР). По ЦМР могут быть установлены различные морфометриче-ские характеристики рельефа (крутизна и экспозиция склонов, степень расчлененности территории), которые во многом определяют условия миграции КРТ в природной среде. На основе цифровой модели рельефа составлена карта структурных линий рельефа и проведены границы водосборных бассейнов. Кроме того, выполнен расчет горизонтальной (с учетом как постоянных, так и временных водотоков) и вертикальной расчлененности рельефа в пределах водосборных бассейнов. Карта крутизны склонов (наряду с картой структурных линий рельефа) служит основой для выделения в районе падения элементарных ландшафтов, характеризующихся различными условиями накопления и выноса вещества в соответствии с классификациями А.И. Пе-рельмана и М.А. Глазовской [2, 7].

Набор тематических карт, включенных в базу геоданных «Характеристика района падения ОЧРН» (рис. 3), обусловлен природными факторами, определяющими устойчивость экосистем в районах падения к воздействию ракетно-космической техники. Все тематические карты, включенные в базу геоданных, согласованы между собой и с цифровой моделью рельефа.

Почвы являются индикаторами химического воздействия ракетно-космической техники на экосистемы районов падения и регуляторами многих процессов миграции в ландшафтах. Поскольку основной поток загрязнителей поступает в районах падения на поверхность земли, главную роль в процессе трансформации ракетного топлива в экосистемах играют именно свойства почвы: сорбционная емкость, кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия, количество органического вещества, гранулометрический состав. Эти характеристики хранятся в таблице «Свойства почв».

Контуры почвенной карты служат основой для составления почвенно-геохимических карт, отражающих условия миграции и аккумуляции компонентов ракетного топлива и продуктов их трансформации в почвах. На основе проведенных авторами исследований и изучения физико-химических свойств ракетного топлива для каждого района падения разработаны схемы устойчивости КРТ в почвах. В схемах для оценки устойчивости и техногенной стабильности почв применен подход, предложенный М.А. Глазовской и базирующийся на анализе свойств и режимов почв, контролирующих процессы транс-

Рис. 3. Схема базы геоданных «Природная характеристика района падения падения 04 РН»: 1 — база геоданных; 2 — набор пространственных данных; 3 — класс точечных объектов; 4 — класс линейных объектов; 5 — класс полигональных объектов; б — набор растровых данных; 7 — класс объектов аннотаций; 8 — класс отношений; 9 — таблица

формации, накопления и выноса техногенных веществ в почвенной толще [2]. Почвы в районах падения сгруппированы по окислительно-восстановительным условиям миграции КРТ. Внутри этих групп почвы объединены по кислотно-основным условиям и количеству органического вещества, содержащегося в них.

Включение карты растительности в базу геоданных «Характеристика района падения ОЧРН» обусловлено, во-первых, необходимостью учитывать условия пожароопасности в районах падения. Во-вторых, оценка состояния растительности является важной составной частью изучения устойчивости экосистем к химическому загрязнению компонентами

ракетного топлива и механическому воздействию при падении ступени. В таблицу описания растительности включены такие показатели, как видовой состав растительных сообществ, проективное покрытие, общая фитомасса и продуктивность различных типов растительности, запасы кормовых ресурсов, запасы древесины (в зависимости от географического положения района падения), биогеохимическая специализация растений. На основании исследований, проводившихся в районах падения в разные годы, для ряда районов в таблицы включены данные по степени биологического поглощения КРТ растениями различных сообществ.

В набор пространственных данных «Тематические карты» включены также слои гидрогеологической карты и карты четвертичных отложений, созданные на основе фондовых материалов. Таблица «Гидрогеологическая характеристика» содержит такие показатели, как площадь распространения водоносных горизонтов и комплексов, водообильность пород, глубина залегания подземных вод, их качество, густота тектонической тре-щиноватости, а также минерализация вод и их химический состав. Все эти показатели могут значительно влиять на миграцию КРТ в ландшафтах и на степень устойчивости ландшафтов к загрязнению. Таблица к карте четвертичных отложений содержит сведения об основных физико-механических свойствах подстилающей поверхности и в первую очередь о прочностных свойствах грунтов. Прочностные свойства поверхности учитываются как при анализе воздействия на окружающую среду (степень механических нарушений на местах падения), так и при планировании мероприятий по ликвидации последствий падения ОЧРН (проходимость местности для спецтехники).

Ландшафтная карта из набора данных «Тематические карты» позволяет получить представление о факторах и закономерностях пространственной дифференциации природно-территориальных комплексов. Контуры ландшафтной карты используются для составления оценочных и прогнозных карт изменения состояния экосистем района падения.

В качестве дополнительной характеристики природной среды в набор пространственных данных «Тематические карты» включены таблицы с данными об атмосферном и почвенном климате, обусловливающими интенсивность самоочище-

ния среды и скорость преобразования продуктов техногенеза.

База геоданных «Результаты экспериментального моделирования» содержит таблицы с результатами полевых модельных экспериментов, которые включают описание почвенно-растительного покрова экспериментальных площадок, характеристику физических и физико-химических свойств почв, метеоусловия на момент эксперимента; количество вносимого загрязнителя, его поглощенное и остаточное количество при различных задаваемых нагрузках, а также оценку состояния растительного покрова после внесения загрязнителя.

Обработка и представление информации. Обработка информации в ГИС для районов падения осуществляется с использованием стандартных инструментов пространственного анализа Лге018 9.2. Пространственные и атрибутивные запросы, а также наложение различных тематических слоев позволяет оценить характер механических нарушений и уровень химического загрязнения на конкретных местах падения и сопоставить эти данные со свойствами компонентов экосистем, подвергшихся воздействию ракетно-космической техники. Кроме того, методы ГИС-анализа позволяют оценить площади экосистем, нарушенных непосредственно в результате падения отделяющихся частей ракет-носителей. Использование ГИС позволяет также объективнее проанализировать характер и скорость восстановления ландшафтов на «старых» местах падения за счет наложения информации, полученной для одних и тех же экосистем в различные годы экспедиционных обследований.

Данные полевых экспериментов по изучению поведения компонентов ракетного топлива в природной среде служат основой для разработки моделей поведения компонентов ракетного топлива и продуктов их трансформации в экосистемах. Модели поведения КРТ наряду с экспертными оценками специалистов-экологов и комплексной оценкой природных факторов, контролирующих миграцию, трансформацию и аккумуляцию КРТ в ландшафтах, используются для определения допустимого уров-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ворожейкин А. П., Касимов Н.С., Королева Т. В., Проскуряков Ю.В. Геохимическое воздействие ракетно-космической техники на окружающую среду // Геохимия ландшафтов и география почв. М.: Ойкумена, 2002. С. 223-242.

2. Глазовская М.А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 102 с.

ня химического воздействия на основе концепции критических нагрузок .

Величины критических нагрузок используются при проведении ГИС-анализа для составления оценочной карты устойчивости экосистем в районах падения к воздействию ракетно-космической техники, прогнозной карты поведения компонентов ракетного топлива в экосистемах этих районов при их дальнейшей эксплуатации, а также карт критического уровня загрязнения и критических нагрузок на экосистемы. По результатам анализа составляется прогноз воздействия ракетно-космической техники на экосистемы при различной интенсивности эксплуатации РП. Все эти данные используются при принятии управленческих решений по эксплуатации района падения (рис. 1).

Заключение. Предложенная структура ГИС для районов падения отделяющихся частей ракет-носителей обеспечивает эффективный анализ пространственной и тематической информации, используемой для изучения влияния пусков ракет-носителей на окружающую среду. Она позволяет работать с картографической и табличной информацией как при выполнении оценки состояния экосистем в районах падения в целом, так и при проведении экологических обследований на местах падения и при планировании мероприятий по детоксикации и рекультивации территорий.

Единая схема хранения информации в ГИС для районов падения позволяет сопоставлять и комплексно анализировать последствия пусков ракет-носителей в различных природных зонах. На основе созданных геоинформационных систем можно проводить экспертный прогноз перспективного развития событий на территориях, подверженных ракетно-космической деятельности при сохранении существующей техногенной нагрузки, а также давать рекомендации по интенсивности эксплуатации районов падения и очередности проведения в них экологических исследований. Кроме того, предложенная структура позволяет использовать созданные ГИС в системе ведомственного экологического мониторинга.

3. Касимов Н.С., Ворожейкин А.П., Королева Т.В., Проскуряков Ю.В. Ландшафтно-геохимический анализ районов падений первых ступеней космических ракет // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1994. N° 1. С. 40—49.

4. Касимов Н.С., Гребенюк В.Б., Королева Т. В., Проскуряков Ю.В. Поведение ракетного топлива в почвах, водах и растениях // Почвоведение. 1994. N° 9. С. 110-121.

7 Под критическими нагрузками понимается максимальное количество загрязняющего вещества, поступление которого не сопровождается необратимыми изменениями в биогеохимической структуре, биоразнообразии и продуктивности экосистем в течение длительного времени.

5. Кондратьев А.Д., Кречетов П. П., Королева Т. В., Черницова О. В. Космодром «Байконур» как объект природопользования. М.: Пеликан, 2008. 175 с.

6. Кречетов П.П., Королева Т.В., Черницова О.В., Неронов В. В. Ракетно-космическая деятельность как ис-

точник воздействия на окружающую среду // Проблемы региональной экологии. 2008. N° 6. С. 96—100.

7. Перельман А. И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея, 2000. 762 с.

Поступила в редакцию " 25.06.2009

O.V. Chernitsova, N.S. Kasimov, T.V. Koroleva, P.P. Krechetov

GIS-TECHNOLOGIES FOR THE ASSESSMENT

OF THE ENVIRONMENTAL IMPACT OF BOOSTER LAUNCHING

The paper deals with the application of GIS-technologies for the assessment of the environmental impact of booster launching. The content of GIS databases developed for the impact zones is described in detail. The structure of databases was elaborated basing on technogenic and natural factors which predetermine the influence on the ecosystems of impact zones. An emphasis was put on the structure of the geodata base which stores information about environment components and their features. Suggested GIS structure makes it possible to realize a comprehensive analysis of accumulated information.

Key words: rocket-and-space activities, environment, impact assessment, GIS-technologies, databases, thematic maps of nature.