Методология создания карты геоэкологического районирования в среде ГИС на примере Ненецкого автономного округа

УДК 553.982.2

КОНОВАЛОВА Наталья Владимировна,

кандидат географических наук, руководитель ГИС-группы (группагеографических информационных систем) Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 37 научных публикаций, в т.ч. двух учебных пособий

ШУМИЛОВА Юлия Николаевна, старший преподаватель кафедры географии и геоэкологии естественно-географического факультета Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 12 научных публикаций

МЕТОДОЛОГИЯ СОЗДАНИЯ

КАРТЫ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО РАЙОНИРОВАНИЯ В СРЕДЕ ГИС НА ПРИМЕРЕ НЕНЕЦКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА

В связи с освоением новых месторождений углеводородов на территории НАО и увеличением объемов добычи нефти и газа возрастает техногенное воздействие на окружающую природную среду. С целью выделения экологически уязвимых территорий, снижения негативного воздействия на них со стороны нефтедобывающего комплекса проведено геоэкологическое районирование территории НАО.

Факторы, критерии и показатели факторов, ранжирование, геоэкологическая оценка территории

В связи с ростом промышленного производства, развитием экономики страны большое внимание уделяется освоению новых месторождений углеводородного сырья на Европейском Севере. Ненецкий автономный округ (НАО) в последнее время привлекает особое внимание благодаря открытым месторождениям нефти и газа на севере Печорской низменности.

Освоение северо-востока Европейского Севера осуществляется в сложных природных условиях. Высокая степень природного риска обусловлена суровым климатом, наличием многолетнемерзлых пород, большой обводненностью территории, бедностью видового состава флоры и фауны, низкой биомассой растений и животных. Экосистема региона отличается высокой уязвимостью к внешнему воздействию, а ее самовосстановление может занимать многие годы и даже десятилетия [7].

Чрезмерное использование природных ресурсов, загрязнение основных компонентов природных систем приводит к геоэкологическому кризису [3]. Для прогноза и предупреждения возникновения таких ситуаций необходима комплексная геоэкологическая оценка территории.

При районировании территории НАО под задачу освоения нефтяных месторождений для выявления районов со сходными геоэкологическими условиями использовалась методика, основанная на ранжировании. На карту территории в базовом масштабе 1:1 000 000 в проекции WGS 84 была наложена сетка с размером ячеи 0,10 средней площади 45,33 км2. В качестве топографической основы была использована электронная топографическая карта, созданная в ходе российско-скандинавского проекта «ГИТ в Баренцевом регионе» на российской территории по нагрузке, в основном соответствующая

масштабу 1:1 000 000. Для расчета были использованы слои, содержащие данные по климату, гидрографии, геологии, рельефу (изолинии), социальной и транспортной инфраструктуре.

Для проведения районирования нами было использовано 20 факторов, каждый из которых оценивался по наиболее существенному для поставленной задачи критерию. Результаты оценки разбивались на диапазоны методом естественных групп, позволяющим выявить отчетливые кластеры данных. После разбивки на диапазоны данные ранжировались по принципу: чем хуже условия для геоэкологического состояния территории, тем выше ранг.

Концентрация, распространение и трансформация загрязняющих веществ в атмосфере является показателем, свидетельствующим об общем состоянии окружающей среды. Поэтому фактор загрязнения окружающей среды, как один из основных, рассматривался по критерию потенциала загрязнения атмосферы. Чем выше потенциал загрязнения атмосферы, тем выше ранг.

Фактор особо охраняемых природных территорий (ООПТ) ранжировался в зависимости от статуса ООПТ с учетом занимаемой им площади. Чем выше статус ООПТ и больше ограничений на хозяйственную и иную деятельность, тем выше ранг. Высший ранг получил государственный заповедник «Ненецкий», так как значимость его чрезвычайно высока и выходит за рамки одной страны. Низший ранг присвоен лечебно-оздоровительным местностям.

Фактор биопродуктивности территории ранжировался по критерию продуктивности ландшафтов, а также оценивался по показателю биомассы, выраженной в центнерах на гектар [5]. Чем больше продуктивность ландшафта, тем большее количество связей может быть нарушено при отрицательном воздействии на его биоту и больше потребуется энергии на ее восстановление. Поэтому высший ранг присваивался территориям с наибольшей продуктивностью (северная тайга). Низший ранг получили ландшафты арктических тундр.

Информация по блоку гидрометеорологических данных была предоставлена ГУ «Архангельский центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями». Данные, использованные в расчетах, представляют собой обобщенные среднегодовые результаты наблюдений за многолетний период.

Фактор ветрового режима рассматривался по критерию средней скорости ветра. В качестве показателя выбрано среднегодовое значение скорости ветра, выраженное в метрах в секунду. От ветровой циркуляции зависит интенсивность переноса загрязняющих веществ в воздухе. Кроме того, чем сильнее ветер, тем большую нагрузку он оказывает на сооружения и объекты нефтяной инфраструктуры. Чем больше скорость ветра, тем выше ранг.

Фактор термического режима оценивался по среднегодовой температуре воздуха по принципу: чем ниже температура воздуха, тем выше ранг. Низкие температуры воздуха отрицательно влияют на прочность конструкций и требуют применения специальных морозостойких строительных материалов. При низких температурах воздуха значительно тяжелее осуществлять работы на открытом воздухе, увеличиваются затраты на содержание рабочих, жилых помещений и модулей.

Фактор атмосферных осадков также обрабатывался по среднегодовому количеству осадков по принципу: чем больше осадков, тем выше ранг. Осадки способствуют осаждению из атмосферы на земную поверхность загрязняющих веществ. Во время сильных дождей происходит смыв загрязняющих веществ с промышленных площадок. С ливневыми стоками они попадают в водные объекты. Снежный покров обладает способностью накапливать загрязняющие вещества и сохранять их достаточно долгое время.

В качестве критерия по фактору протяженности речной сети использовалось отношение длины речной сети в пределах каждой ячейки сетки к площади этой ячейки. Полученные данные ранжировались по принципу: чем больше длина речной сети на единицу площади

ячейки, тем большее количество нефти и нефтепродуктов может переноситься водотоками, увеличивая площадь загрязнения, тем выше ранг.

Факторы плотности озер и заболоченности оценивались по процентному критерию отношения площади озер (болот) в каждой ячейке сетки к площади соответствующей ячейки. Полученные данные ранжировались по принципу: чем больше плотность озер (болот), тем выше ранг. Озера и болота накапливают загрязняющие вещества благодаря замедленному водообмену.

Блок геологических показателей в работе представлен факторами сейсмичности, экзогенно-геологических процессов и плотности месторождений полезных ископаемых.

Фактор сейсмичности оценивался на основе карты 99-процентной вероятности непре-вышения расчетной интенсивности в течение 50 лет общего сейсмического районирования территории Российской Федерации, выполненной в 1991-1997 гг. Институтом физики Земли им.

О.Ю. Шмидта РАН. Территория НАО частично попадает в зоны интенсивности с вероятностью сотрясений на средних грунтах в 5-6 баллов по сейсмической шкале MSK-64. Зоны с наибольшей вероятностью сотрясений получили высший ранг.

Фактор экзогенно-геологических процессов рассчитывался по критерию количества зон выраженных экзогенных процессов. Информация для выявления этих зон была получена из карт Атласа природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации. Территория НАО оценивалась по предрасположенности к экзогенным процессам, в качестве критериальной оценки использовался ранг района. Экзогенные процессы не столько влияют на техногенную деятельность, сколько техногенная деятельность ведет к развитию экзогенных процессов. Чем выше потенциальная возможность возникновения экзогенных геологических процессов, тем ниже устойчивость среды к техногенным нагрузкам и выше ранг.

Фактор плотности месторождений полезных ископаемых первоначально ранжиро-

вался по 3-балльной шкале. Высший балл получили нефтяные месторождения как наиболее загрязняющие природную среду. Средний балл получили нефтегазовые и нефтегазоконденсатные месторождения. Низший балл получили газоконденсатные месторождения. Затем ранг корректировался с учетом площади, занимаемой месторождениями, приходящимися на ячейку расчетной сетки.

Информация по блоку физико-географических факторов была получена из Атласа Архангельской области. Проанализированы карты почв, четвертичных отложений, физико-географического районирования и ландшафтов.

На основе данных рельефа выделены зоны аккумуляции загрязняющих веществ в понижениях. Они рассчитывались в среде ArcGIS с модулем ArcHydro.

Фактор почв рассчитывался по соответствующей карте атласа. Ранги были выделены по характеру устойчивости почв к механическим воздействиям. Изменение свойств грунта при освоении нефтяных месторождений происходит вследствие повреждения растительного покрова путем оказания механической нагрузки на него. Наиболее устойчивые почвы (болотные) получили низший ранг. Болотные почвы, благодаря высокой буферной емкости, устойчивы к механическому воздействию. Наименее устойчивые почвы (арктические) получили высший ранг. Они имеют слабый растительный покров, который легко нарушается под механическим воздействием, слабо восстанавливается [9].

Фактор многолетнемерзлых пород рассчитывался по карте четвертичных отложений атласа с привлечением данных из [10]. Ранги выделены в зависимости от характера распространения многолетнемерзлых пород, процента занимаемой ими площади и средней температуры.

Фактор ландшафтной дифференциации рассчитывался на основе типов физико-географических районов и генетических типов ландшафтов. Ранги выделены по степени устойчивости ландшафтов к антропогенному воздействию. Устойчивость ландшафтов обусловлена прежде всего наличием мощного лесного по-

крова. Он способен активно противостоять внешнему воздействию и восстанавливаться после нарушения. Твердый фундамент играет важную стабилизирующую роль в ландшафте, обусловленную гравитационным равновесием. При антропогенном воздействии фундамент легко подвергается денудации. Показателем слабой противоденудационной устойчивости ландшафта может быть модуль стока взвешенных наносов. Низкие значения модуля стока говорят об устойчивости ландшафта к механической денудации. В безлесных и возвышенных ландшафтах модуль твердого стока неизмеримо возрастает [4]. Чем неустойчивее ландшафт к механической денудации, тем выше ранг. Высший ранг получили ландшафты типичной тундры возвышенностей Тимана и Пай-Хоя с близким залеганием плотных пород, низший -моренные равнины северной тайги в области валдайского оледенения.

Блок социально-экономических показателей в работе был представлен факторами системы расселения, района загрязнения от падения отработанных ступеней ракет, трубопроводных трасс и транспортной инфраструктуры.

Редкая и малочисленная система расселения в НАО потребовала подхода, учитывающего дискретный характер размещения этого фактора. Интерполирование любым методом геостатистики ориентировано прежде всего на картографирование непрерывных природных явлений. Оно исказило бы результат [6]. Поэтому было использовано построение буферных 5-километровых зон вокруг каждого поселения и перенос данных на сетку. Полученная карта имеет площадное, а не точечное представление фактора, как того требуют условия задачи, и отражает истинный характер расселения. Данные о численности населения были взяты из статистического справочника [8].

Фактор района падения отработанных ступеней ракет рассчитывался по данным космодрома Плесецк. Созданная карта отражала 50-километровую буферную зону вдоль трассы падения ступеней ракет.

Учет влияния трубопроводных трасс производился на основании максимального разме-

ра санитарно-защитных зон, определяемых величиной предельно допустимых концентраций вредных веществ в окружающей среде с учетом фонового загрязнения района расположения объекта. Ориентировочные размеры санитарнозащитных зон в зависимости от мощности нефтепровода и сооружений на объекте могут колебаться от 200 до 450 м. Размеры санитарнозащитных зон газопровода колеблются в пределах от 50 до 150 м. Вокруг нефтепроводов строились буферные зоны величиной 450 м, вокруг газопроводов - 150 м. Нефтепроводы, возможное загрязнение от которых превышает загрязнение от газопроводов, получали более высокий показатель опасности. Ячейки сетки ранжировались с учетом площадей попавших в них буферных зон и уровня их опасности.

Учет влияния транспортной инфраструктуры был сделан путем проведения буферных зон вокруг дорог на расстоянии 50 м от их осей. Далее рассчитывалась площадь зон, попавших в ячейку расчетной сетки, с учетом класса дороги. Схема постоянных и временных дорог на территории НАО была предоставлена управлением дорожного хозяйства НАО.

После расчета значений по каждому фактору строилась соответствующая тематическая карта, на которую накладывалась сетка. Ячейки сетки получали значение, которое имела находящаяся под ним территория. Таким образом было построено 20 тематических карт и 20 «сеточных» карт с перенесенными на сетку значениями факторов. Расчет выполнялся в средах MapInfo (Vertical Mapper) и ArcGIS (Arc Hydro, 3D Analyst, Geostatistical Analyst, Spatial Analyst).

Итоговая шкала для районирования территории принята линейной и разбита на 7 интервалов. По степени потенциальной экологической уязвимости приняты следующие градации: очень низкая (1), низкая (2), относительно низкая (3), средняя (4), относительно высокая (5), высокая (6) и очень высокая (7) (рис. 1).

В Ненецком автономном округе долина реки Печора и территория к востоку от нее отличаются очень высокой потенциальной экологической уязвимостью. Здесь находится большое

Рис. 1. Геоэкологическое районирование территории Ненецкого автономного округа под задачу освоения нефтяных месторождений

количество нефтяных месторождений, разработка которых представляет собой наибольшую угрозу окружающей среде. Наличие особо охраняемых природных территорий, зон аккумуляции рельефа, присутствие многолетнемерзлых пород и неустойчивых к антропогенному воздействию ландшафтов тундр, большое количество рек и озер, аккумулирующих загрязняющие вещества, делают эту территорию уязвимой по отношению к техногенному воздействию. При нарушении норм природоохранного законодательства возможна деградация экосистем, а в отдельных случаях - геоэкологический кризис. Показателем средней экологической напряженности характеризуются острова Колгуев и Вайгач, полуостров Канин, а также

Тиманский кряж. По совокупности всех учтенных факторов северо-восточная часть округа (хр. Пай-Хой) и юго-западная (верховья рек Ома, Пёша и Большая Пуша) характеризуются очень низкой потенциальной экологической уязвимостью.

В итоге проведенного районирования выделились обособленные районы с достаточно ярко проявленной спецификой состояния и использования природной среды, а также с близкой реакцией среды на возможное техногенное воздействие.

Выполненное районирование не претендует на полноту учета всех факторов. Тем не менее оно дает достаточно обоснованную картину современной экологической напряженности ис-

следуемой территории. Такая оценка позволяет разрабатывать рекомендации по освоению нефтяных месторождений НАО, по реабилитации деградированных под воздействием техногенеза земель, регламентировать хозяйственную

деятельность, выбирать оптимальные варианты дальнейшего использования освоенных и резервных территорий, снижать социальноэкологическую напряженность.

Список литературы

1. Атлас Архангельской области / под ред. А.Г Исаченко. М., 1978.

2. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации / под общей редакцией С.К. Шойгу. М., 2005.

3. ЗаикановВ.Г., Минакова Т.Б. Геоэкологическая оценка территорий. М., 2005.

4. Исаченко А.Г. Введение в экологическую географию: учеб. пособие. СПб, 2003.

5. ИсаченкоА.Г., ШляпниковА.А. Природа мира: ландшафты. М., 1989.

6. Коновалова Н.В. Особенности составления геоэкологических карт классов // Вестник Архангельского государственного технического университета. Сер. «Прикладная геоэкология». Выпуск N° 66. Архангельск, 2006. С. 43-49.

7. Коробов В.Б. Природа нуждается в защите // Ненецкий край: сквозь вьюги лет. Архангельск, 2000. С. 194-200.

8. Сельское население Архангельской области на 9 октября 2002 г.: стат. бюллетень / Госкомстат РФ. Архангельск, 2004.

9. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М., 1998.

10. Юдахин Ф.Н., Губайдуллин М.Г., Коробов В.Б. Экологические проблемы освоения нефтяных месторождений севера Тимано-Печорской провинции. Екатеринбург, 2002.

Konovalova Nataliya, Shumilova Yuliya

METHODOLOGY FOR MAKING A GEOECOLOGICAL ZONING MAP IN GIS MEDIUM BY THE EXAMPLE OF THE NENETS AUTONOMOUS AREA

As a result of new hydrocarbon deposits exploitation and increased oil and gas production in the Nenets Autonomous Area the anthropogenic impact on the environment is growing. The geoecological zoning of the Nenets Autonomous Area is carried out for the purpose of locating vulnerable areas and reducing the adverse environmental impact of the oil-producing complex.

Рецензент - КоробовВ.Б., доктор географических наук, начальник Архангельского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями