Мониторинг природных рисков на водных объектах

о

X X

5

X

природных рисков

объектах

Территория Беларуси подвержена прогрессирующему, особенно после аварии на ЧАЭС, антропогенному воздействию, которое выражается в загрязнении атмосферного воздуха, природных поверхностных и подземных вод, растительного и животного мира и почв, (в последних также происходит деградация и эрозия).

Климатические и метеоусловия становятся иными в результате глобального изменения климата, и поэтому вероятность экологических крупномасштабных аварий и даже катастроф резко возрастает, что ведет к появлению экологически напряженных ситуаций в различных районах республики. Это увеличивает роль природного риска, а значительный износ средств производства по-прежнему делает реальной возможность возникновения техногенных чрезвычайных ситуаций (ЧС).

Комплексная мелиорация территории БССР в 1960-1980 гг. привела к созданию широкой сети водных объектов разного масштаба, в том числе прудов и водохранилищ (последних - около 70). В настоящий момент их насчитывается приблизительно 150. Суммарный объем аккумулированной в них воды составляет примерно 3 км3, площадь водного зеркала превышает 1200 км2, а протяженность береговой линии - 1200 км.

Проектный срок службы этих объектов вскоре истекает, и они нуждаются в замене технологического оборудования либо проведении капитального ремонта основных сооружений. По современным оценкам, в аварийном состоянии находится около 30% гидротехнических сооружений; изношенность металлоконструкций и водосбросных устройств достигает 80%; энергетическое оборудование малых гидроэлектростанций республики в бедственном состоянии. Из-за этого растет число техногенных и природно-техногенных аварий: в 1970-1992 гг. - примерно на 15%, в 1993-1994 гг. - на 20-30% в год. Эта динамика сохранится и в ближайшие годы. Поэтому на первое место выходят оценка и прогноз развития негативных процессов и риск-ситуаций.

В результате исследований, выполненных специалистами Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси, Института экономики НАН Беларуси, Белорусского государственного технологического университета, Командно-инженерного института (КИИ) МЧС, были оценены природные абразионные риски на берегах около 100 водохранилищ республики с учетом их региональных особенностей, сложности и многофакторности изучаемых процессов. Также выявлены масштабы последних. Далее итоги оценки состояния территории были визуализированы на основе географических информационных систем (ГИС). Были построены тематические карты распространения различных видов риска, в частности

абразионного. В качестве исходной информации исследователи брали фондовые и опубликованные материалы, данные аэрофотосъемки и полевых обследований ряда объектов.

Основная информация, которая применяется для оценки, а затем пространственного прогноза риск-процессов, сконцентрирована в соответствующей базе данных информационно-прогнозной системы, используемой ГИС-при-ложениями. Практика показала, что правильный подход к исследованию риск-процессов должен состоять из следующих этапов: полевые натурные наблюдения, обработка и анализ результатов, построение карт распространения и масштабов процессов и, наконец, прогнозирование динамики явлений. Этот подход был принят авторами.

Термин «мониторинг» был введен для определения комплекса мероприятий, обеспечивающих сбор информации с определенных точек или постов наблюдения, обработки и анализа полученных данных, их интерпретации и визуализации для проведения прогнозных расчетов, необходимых для разработки и принятия управленческих решений.

В настоящее время существует сеть наблюдений на берегах водохранилищ, в создании которой в разное время участвовали Белорусский национальный технический университет, Белорусский государственный университет, Белорусский научно-исследовательский институт мелиорации и луговодства, а также Центральный НИИ комплексного использования водных ресурсов и РНТЦ «Экомир», в последние годы -КИИ МЧС. Эта сеть охватывает побережье около 50 водохранилищ различного типа - примерно 40% от их общего количества в республике. Кроме водоемов, на которых функционирует сеть стационарных наблюдений, имеется ряд объектов, где проводятся периодические рекогносцировочные обследования.

Суммарная протяженность береговой линии водохранилищ,

где ведутся наблюдения, - около 350 км. На рис. 1 приведена карта-схема размещения объектов, где изучаются береговая линия, состояние и развитие береговых процессов. В табл. 1 даны некоторые характеристики водохранилищ, типы имеющихся береговых склонов, а также параметры сети наблюдений.

Создание искусственного водного объекта неизбежно ведет к значительным изменениям на прилегающих территориях - развитию естественных природных процессов (абразии, оползневых явлений, просадок, подтопления и др.). Устройство прибрежных водоохранных зон и полос, а также берегозащитных сооружений требует выполнения инженерных мероприятий, которые можно назначить только при наличии соответствующей информации о динамике береговых процессов.

Систематизированные сведения, помещенные в соответствующую специализированную базу данных, которую периодически пополняют, образуют так называемый кадастр берегов [1]. В нем приводится информация о процессах, протекающих в береговой зоне водохранилища, их характеристики, а также параметры основных берегообразующих факторов. Эти материалы служат основой для разработки проектов водо- и берегозащитных мероприятий [2, 3].

Однако кадастровая информация дискретна: она дает сведения о состоянии того или иного объекта лишь на какой-то конкретный момент и поэтому не всегда позволяет оценить динамику того или иного процесса. Из-за этого невозможно прогнозировать данное явление, а затем производить инженерные расчеты для выбора варианта берегозащиты или же управления природным процессом.

Цель создания системы мониторинга берегов водоемов (СМБВ) - разработка информационного обеспечения для управления природоохранной деятельностью на территории Беларуси.

п

Владимир Анищенко,

замгендиректора по научной работе Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси, кандидат технических наук, доцент

Виктор Левкевич,

завсектором эколого-экономических проблем Института экономики НАН Беларуси, кандидат технических наук, доцент

Виктор Мильман,

ведущий научный сотрудник Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси, кандидат физико-

математических наук

Георгий Касперов,

завкафедрой

инженерной графики

Белорусского

государственного

технологического

университета,

кандидат

технических наук,

доцент

СМБВ базируется на существующих сетях наблюдений, так как в некоторых из них мониторинг ведется более 50 лет. Это тем более важно, что такие сети не имеют аналогов в странах бывшего Советского Союза.

Кроме стандартных методик для сплошной съемки территории государства предлагается широко применять средства дистанционного (авиационного и космического) базирования. Полученная информация станет основой для комплексных схем использования рек, защиты берегов и регулирования русла, мелиорации земель, для природоохранных мероприятий, связанных с созданием национальных парков и заповедников на базе озер республики.

Информационная база СМБВ представлена программными продуктами, которые обеспечивают работу с поступающими данными как проектирующим и эксплуатирующим водоемы организациям, так и природоохранным структурам (последние создают в рамках ГПНИ «Чрезвычайные ситуации» на 2012-2015 гг.).

В СМБВ предусмотрена возможность сбора информации о состоянии прибрежной зоны для двух основных потребителей данных. С одной стороны, это ведомства, на балансе которых находятся водохранилища и пруды (концерн «Белвод», Минэнерго, Минрыбвод, Минсельхозпрод, Минжилкоммунхоз, колхозы, лесхозы и др.), а с другой - областные

Рис. 1.

Карта-схема расположения озер и

водохранилищ, где заложена сеть наблюдений за динамикой береговых процессов

о х

X

5

X

Название водохранилища Площадь водоема, км2 Наличие сети наблюдения Типы береговых склонов

Год создания Абразионный Аккумулятивный Эрозионный

1 Заславское 1954 26,86 стационарная + + +

2 Криницы 1975 0,96 стационарная + + +

3 Дрозды 1976 2,38 стационарная + + +

4 Чижовское 1954 2,8 стационарная + + +

5 Осиповичское 1957 11,87 стационарная + + +

6 Острошицкий Городок 1959 0,6 стационарная + + +

7 Смолевичское 1979 0,95 рекогнисцировочная + +

8 Плещиницкое 1968 2,04 рекогнисцировочная +

9 Петровичское 1979 4,8 стационарная + + +

10 Волмянское 1959 0,83 рекогнисцировочная + +

11 Волковичи 1967 0,85 стационарная + + +

12 Вяча 1968 1,68 стационарная + + +

13 Вилейское 1974 77 стационарная + +

14 Гезгальское 1960 1,22 рекогнисцировочная + + +

Таблица 1.

Некоторые

характеристики

водохранилищ

и сети наблюдений

за береговыми

процессами

о

X X

5

X

и районные инспекции по охране окружающей природной среды (организации Минприроды).

Приведенное разграничение потребителей информации определяет и требования, предъявляемые к легализации съемки, их масштабам, к технологии проведения съемки и стоимости мониторинговых работ. Так, для природоохранных структур целесообразно выполнять плановую съемку водных объектов дистанционно, используя информацию, получаемую с Белорусского космического аппарата, а также с российских систем. Для организаций, которые проектируют и эксплуатируют водоемы, необходимо проводить наземную детальную съемку по закрепленной реперной сети стационарных наблюдений.

Натурные исследования и измерения береговых процессов выполняются обычно по специально разработанной программе, которая, как правило, включает систематическое изучение морфологии склонов и отмели около берегов, а также геоморфологических, гидрологических, гидрогеологических и метеорологических условий в этих местах.

Периодичность выполнения различных наблюдений колеблется от двух раз в год (контроль за процессами переработки,

эрозии берегов) до одного раза в четыре-шесть лет (отбор проб размываемых грунтов, наносов с прибрежной отмели и др.). Съемка береговой линии происходит следующим образом. Исследователи разбивают поперечники по контрольным створам и закрепляют реперами и створными знаками репрезентативные участки побережья, а после нивелируют поперечники по намеченной схеме. Специалисты делают продольную (плановую) съемку контура береговой линии с использованием наземных методов теодолитной съемки, системы спутникового позиционирования УП1 ОР5. Пробы грунтов отбираются с надводной и подводной частей профиля и привязываются к реперам, а на основе их лабораторного анализа строятся кривые гранулометрического состава размываемых грунтов и наносов. Исследователи фотографируют поперечники с фиксированием на местности точек съемки, районируют береговую линию по доминирующему процессу и составляют ее план, карты территориального разграничения, а также поперечные профили береговых склонов.

Применение традиционных наземных методов исследований и наблюдений - дискретная по характеру получаемой информа-

ции технология, которая ограничивается сбором сведений через достаточно большие интервалы времени. Поэтому при съемке объекта - водохранилища, озера, пруда - целесообразно использовать дистанционные методы, отображающие процессы, происходящие в прибрежной зоне, на разных стадиях. Повторные измерения, выполняемые через эквидистантные временные интервалы или по выбранным событиям, позволяют получить пространственно-временную характеристику того или иного процесса. За счет последовательного накопления данных об элементарном процессе по некоторым участкам побережья можно сделать выводы как о динамике, так и о тенденциях развития этого процесса под влиянием внешних факторов.

Использование дистанционных средств обеспечивает одновременную (в расчете на масштаб процесса) съемку большого района береговой зоны (размер поля съемки в несколько квадратных километров) и контроль ее состояния при небольшом временном смещении. Эта технология дает возможность выявить пространственную связь морфологических, гидродинамических и гидрологических условий, характерных для объекта наблюдений.

Данный метод в полной мере удовлетворяет требованиям охраны окружающей среды и водного хозяйства в прибрежных районах. На основе высокого информационного содержания материалов съемки возможно как топографическое, так и тематическое изменение карт, используемых в народном хозяйстве.

Получаемые в результате мониторинговой съемки данные после обработки можно представить в виде обобщенных таблиц с перечнем материалов общего плана (основные эксплуатационные, морфологические, гидрологические и прочие характеристики), а также специальных чисто мониторинговых показателей (параметры береговой линии

водных объектов, оценка их динамики, масштабов, интенсивности и др.). Кроме цифровой формы описания свойств береговых процессов может использоваться и графическая форма интерпретации данных мониторинговой съемки, полученная в результате построения поперечных профилей и наложения многолетней информации на исходный поперечник, а также данных повторной аэрофотосъемки на контур исходной береговой линии. Сопоставление вышеупомянутых сведений позволяет отслеживать динамику береговых процессов, уточнять кратко- и долгосрочные прогнозы (на 2-5 и 10-25 лет соответственно), корректировать ретроспективные прогнозы с учетом техногенного воздействия на береговую линию [4].

Обобщенная информация поставляется потребителю в виде справочника или базы данных. Получаемая ежегодно информационная база - основа для принятия заинтересованными ведомствами, проектными и эксплуатирующими водоемы организациями решений по бере-гозащите и управлению береговыми процессами.

В основу концепции прогнозирования и управления природными рисками (на примере искусственных водных объектов) положены базовые посылки и допущения:

природные риски характеризуются многофакторностью и, как правило, обладают определенной синергетикой;

на развитие экологических рисков влияет состояние экономической системы региона;

природные риск-ситуации имеют детерминированный стохастический характер;

для оперативных прогнозов масштабов и динамики протекания риск-процессов в современных условиях необходимо применять информационные технологии, базирующиеся на использовании ГИС с построением тематических электронных карт и соответствующих баз данных.

приемлемыи уровень риска

среднии уровень риска

высокии уровень риска

Результаты прогноза и оценки риска отображаются на картах крупного (1:50000 и более), среднего (1:100000, 1:500000), мелкого (1:1000000 - 1:2500000) масштаба и обзорных картах (1:5000000 и менее). Все они часто сильно различаются по содержанию. Под картами опасности понимаются те, на которых показан прогноз вероятностей проявления того или иного генетического типа процесса, в частности абразионный риск на водохранилищах.

На картах отображаются экономический, социальный и экологический риски на заданное время от конкретного генетического типа процесса. В инженерно-геологических исследованиях для проектирования защитных сооружений применяются карты разного масштаба в зависимости от поставленных задач, стадии проекта, величины защищаемой территории и др.

В ходе районирования территорий по уровням риска выделяются зоны, для которых в связи с высокой потенциальной опасностью должен быть установлен особый режим использования, определяемый нормативными правовыми и техническими актами в области защиты населения и территорий от ЧС. Отметим, что благодаря выполненному райони-

рованию можно при разработке схем комплексного обустройства учесть и предусмотреть необходимые инженерные мероприятия по предотвращению развития отрицательных явлений, к которым относится, например, абразия берегов водохранилищ. Кроме того, можно составлять схемы и карты развития эрозионных и аккумулятивных процессов, а также подтопления и затопления территорий.

Для апробации методики районирования территории по природным рискам в качестве опытного полигона была выбрана Минская область, где разделили искусственные водные объекты по величине абразионного риска (рис. 2).

Литература

1. Левкевич В.Е., Ковалев А.А., Павловский А.А. Ведение кадастра берегов водных объектов (озер, водохранилищ, прудов) с помощью ПЭВМ. - Препринт №29, Мн., 1994.

2. Левкевич В.Е. Экологический риск - закономерности развития, прогноз и мониторинг. - Мн., 2004.

3. Касперов Г.И., Левкевич В.Е., Пастухов С.М., Кукшинов М.С. Методические рекомендации по оценке рисков на искусственных водных объектах Республики Беларусь. - Мн., 2007.

4. Анищенко В.В., Левкевич В.Е., Мильман В.А. Технология мониторинга и оценки рисков на водных объектах Беларуси // Актуальные проблемы экономики. 2010, №10 (112). С. 307-314.

Рис. 2.

Районирование

территории

Минской области

по величине

территориального

абразионного

риска

о х

X

5

X