СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ И ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РЕК ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ТОКСИЧНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
METHOD OF DETECTING AND ASSESSING CONTAMINATION OF RIVERS WITH HEAVY METALS AND TOXIC ELEMENTS

Изобретение относится к геоэкологии и может быть использовано для выявления и оценки загрязнения, разработки рекомендаций для снижения опасных концентраций тяжелых металлов и токсичных элементов в труднодоступных местах окружающей среды.
Известен способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды, включающий инкубацию водорастворенных поллютантов с тест-системой и количественную их оценку [1].
Способ не позволяет получить данные по труднодоступным объектам и произвести визуализацию загрязнения территории.
Известен способ измерения загрязнения реки сточными водами, включающий процедуру выбора створ наблюдений относительно источника загрязнений или группы источников, отбор проб воды [2].
Способ имеет узкую направленность и функциональные возможности.
Наиболее близким является геохимический способ выявления и оценки зон техногенного загрязнения рек, включающий отбор проб, определение химического состава взвеси с последующей оценкой уровня накопления химических элементов относительно фоновых содержаний, оценку миграционной способности химических элементов, определение протяженности зон техногенного загрязнения с разделением рек на участки с разным уровнем загрязнения [3].
Способ позволяет выявить и разделить зоны техногенного загрязнения с охватом ограниченного участка и без учета системного накопления тяжелых металлов и токсичных элементов.
Технический результат - повышение эффективности выявления и визуализации участков загрязнения тяжелыми металлами и токсичными элементами водной системы в труднодоступных местах.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления и оценки загрязнения тяжелыми металлами и токсичными элементами водной системы, включающем отбор проб, оценку миграционной способности химических элементов, определение протяженности зон техногенного загрязнения с разделением рек на участки с разным уровнем загрязнения, в качестве исходных данных для выявления областей водосборов притоков используются результаты космической радиолокационной съемки SRTM2, создаются относительная и абсолютная вариации концентраций элементов-загрязнителей выбранного водного узла, на базе dem-файла строится растровый файл направлений потоков, затем файл аккумуляции водных потоков, который используется для уточнения положения точек опробования, определяются нижние точки локальной дренажной сети и набор точек «водораздела», определяющие границу дренажной сети, вычисляются направления потоков и их аккумуляция.
Совокупность новых существенных признаков позволяет решить новую техническую задачу - повышение эффективности выявления и визуализации участков загрязнения тяжелыми металлами и токсичными элементами водной системы в труднодоступных местах.
На рисунках представлены схемы визуализации распределения тяжелых металлов в притоках и реке Амур.
На фиг.1 - схема распределения Ti в притоках акватории р.Амур от с.Троицкое до г.Комсомольск-на-Амуре; на фиг.2 - схема распределения Ti в русле р.Амур на отрезке от с.Троицкое до г.Комсомольск-на-Амуре.
Способ выполнялся следующим образом.
Работа производилась в программной среде ArcGIS. В качестве исходных данных для выявления областей водосборов притоков использовались результаты космической радиолокационной съемки SRTM2. После предварительной обработки эти данные представлялись в виде 16-битного растрового файла, где значение каждого пикселя (ячейки) соответствует усредненному значению высоты поверхности над уровнем моря в метрах в зоне покрытия ячейки (90×90 м на реальной поверхности). Поскольку рабочая проекция с градусной метрикой, то размер ячейки оценивался при пересчете в любую из метрических систем координат. Файлы такого типа относятся к dem-файлам (Digital Elevation Model - Цифровая Модель Рельефа).
В качестве дополнительных рабочих материалов использовались линейная гидросеть карты VMAP0, полигональная гидросеть, полигональные объекты населенных пунктов, точки взятия проб воды и их номера, а также полупрозрачная подложка рельефа. Поскольку основное русло и водосборы притоков представлены независимыми друг от друга полигональными слоями, конечный результат показывался в двух легендах: «относительной» и «абсолютной». «Относительная» легенда соответствует исследуемому химическому элементу с вычислением уникальных значений. Для «абсолютной» легенды выбиралось количество классов (например, 16), вычислялись абсолютные минимальные и максимальные значения исследуемого элемента для всех слоев и строилась единая шкала концентраций, которая равномерно разбивалась на классы. Два подхода выявили изменения концентраций и влияние притоков на ситуацию в основном русле и уточнили реальные уровни концентраций видеть реальную картину и выявить районы с повышенными концентрациями.
На базе dem-файла строился растровый файл направлений потоков, затем файл аккумуляции водных потоков, который использовался для уточнения положения точек опробования. Из направлений потоков и скорректированных позиций проб формировались зоны водосбора (дренажные бассейны) каждого притока. Результирующий растр конвертировался в векторный формат как полигональный объект. Направления потоков вычислялись методом «плавающего окна», в котором последовательно рассматривалась каждая точка поверхности и ее окрестность размерности 3×3 или больше ячеек (т.н. фокальная окрестность). Направление потока определялось путем нахождения направления максимальной разницы высот между исследуемой ячейкой и ее соседом. Аккумуляция потоков (водосбор) представлялась как количественная характеристика водного дождевого потока, прошедшего через каждую из ячеек поверхности. Исходным материалом для построения аккумуляции потоков являлся файл направлений. Каждая точка рельефа была отнесена к одному из трех классов: «водораздел», «склон» и «русло». Осуществлялся анализ файла направлений потоков и классифицировалась каждая ячейка поверхности. Точку взятия пробы можно рассматривать как самую нижнюю точку локальной дренажной сети, поэтому задача построения зоны водосбора сводилась к нахождению такого набора точек «водораздела», которые можно собрать в непрерывную замкнутую полилинию, являющуюся границей дренажной сети. Дальнейшая обработка заключалась в присвоении атрибутики, т.е. каждой из зон водосбора присваивался номер пробы, а после конвертации в полигональный shape-файл к полю, содержащему номер пробы, подключалась база данных с результатами анализов. На фиг.1 видно, что основной объем загрязнения титаном (красный цвет) сбрасывается в русло Амура из притоков, питающих озера Джалунское и Иннокентьевское, а также малых рек, впадающих в озеро Хумми.
На район работ готовилось несколько векторных слоев (один точечный и три полигональных). Точечный слой отражает места взятия проб. Подключенные к каждой точке атрибутивные таблицы содержат номера проб, индексы принадлежности пробы к определенной «струе» в основном русле (левая, середина, правая), результаты анализов по 25 элементам, а также значение суммарного содержания всех элементов. Три полигональных объекта формировались следующим образом. Из миллионной карты VMAP0 выделялся исследованный участок русла, «разрезался» вдоль на три «потока» примерно одинаковой ширины, затем каждый из полученных потоков переносился на самостоятельный слой и сохранялся как shape-файл для дальнейшего использования. Для интерполяции использовался модуль ArcGIS «Geostatistical Analyst» (анализ пространственных данных), в качестве метода интерполяции - IDW (Inverse Distance Weighting - метод обратных взвешенных расстояний). Процедура разбивалась на несколько шагов. Сначала выбирались точки, принадлежащие одному из потоков, и между ними производилась интерполяция и определялась «поверхность» внутреннего формата Geostatistical Analyst. Затем «поверхность» преобразовывалась в полигональный объект, разбитый на 20 классов. Полигон, представляющий результат интерполяции, «пересекается» с ранее подготовленным полигоном, отражающим соответствующий поток русла. Под процедурой «пересечения» подразумевается такая операция, когда при подаче на вход в качестве аргументов двух (или более) слоев результат содержит в себе только те объекты (или части объектов), которые содержатся и пересекаются во всех входных слоях. Результатом «пересечения» в нашем случае является один из потоков русла, разбитый на полигоны с атрибутикой, близкой к результатам интерполяции. Подобная последовательность действий проводится еще два раза для других потоков русла. Последний шаг - объединение, при котором независимые слои трех русловых потоков объединяются в единый слой. При этом сливаются и атрибутивные таблицы, что позволяет в конечном итоге видеть вариации концентраций химических элементов во всех трех потоках русла, приведенные к единой шкале.
После окончания обсчетов формируется ГИС-проект для максимально наглядного представления полученных результатов. Пример построения схемы распределения Ti в русле р.Амур на отрезке от с.Троицкое до г.Комсомольск-на-Амуре приведен на фиг.2. Из рисунка видно, что в период высокого уровня воды (август) концентрации титана в русле Амура достаточно низки, их распределение как вдоль, так и поперек русла равномерны. В то же время в июле концентрации титана повышены в районе с.Троицкое и, особенно, вдоль правого берега выше с.Малмыж.
Способ повышает функциональные возможности анализа и оценки результатов. Визуализация данных о содержании и распределении тяжелых металлов и токсичных элементов в поверхностных водотоках необходима для наглядного представления поведения этих элементов в водотоках, определения мест их повышенных концентраций и выноса (источников загрязнения). Способ преобразования данных химических анализов воды позволяет представить полученные сведения в графическом виде. Способ применим для типичных водных систем, состоящих из основного русла и притоков. Для характеристики притоков достаточно одного химического анализа воды из его устья. Для характеристики основного русла на анализ берутся пробы воды по нескольким створам. Соответственно, используются два разных способа визуализации результатов анализа. Пробами из притоков аппроксимируется химический состав воды всего притока. В этом случае для визуализации результатов используется алгоритм построения гидросети и зон водосбора, которым придаются атрибуты соответствующих проб. В основном русле пробы характеризуют изменчивость химического состава его потоков. В этом случае используется интерполяция между створами.
Источники информации
1. Патент РФ №2359036, Способ интегральной экспресс-оценки загрязнения окружающей среды.
2. Патент РФ №2269775, Способ измерения загрязнения реки сточными водами.
3. Патент РФ №2205401, Геохимический способ выявления и оценки зон техногенного загрязнения рек.