Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

GEOINFORMATION TECHNOLOGY OF POLLUTION RISK ANALYSE OF SURFACE WATER BODIES BY POLLUTER COMPONENTS FROM NON-POINT SOURCES LOCATED AT WATERSHED TERRITORIES

Ermolaeva O.S. 1 Zeyliger A.M. 1
1 Federal Public Budgetary Educational Institution of the Higher Education of Higher Education Russian State Agrarian University – Moscow Timiryazev Agricultural Academy
Actual article is dedicated to the geoinformation technology using in the subject of spatial risk and threat analyze of surface water object pollution by pollutants from potential non-point sources, located at territories with irrigated by sprinkling agricultural crops. A code of mapping model of water erosion at irrigated by sprinkling fields was developed in ArGIS 10.x with aim to locate areas with potential non-point sources. This code is based on the empirical model of water erosion generated by rain fall. Test of this computer code was carried out in the base of example of case study done at the part of Privolghskaya Irrigation System, situated at the watershed of River M.Karaman, tributary of river Volga. To realize test of mapping model some geo-data layers were developed. These layers characterize landscape, soil and vegetative covers, as well as and scenarios of weather conditions and irrigation regimes. Follow up these scenarios developed computer code was used to calculate volumes of water erosion inside of borders of irrigated fields. Results of these calculations were ranked and after that a spatial analyze was done to assess distances from places with high values of water erosion to the bank of River M. Karaman. As a consequence some places were identified constituting pollution threat to this river.
geoinformation technology
mapping model
spatial analyze
water erosion
non-point pollution sources
surface water objects
crop sprinkling

Процессы, приводящие к ухудшению качества поверхностных водных объектов (ВО) в результате выноса компонент загрязняющих веществ (ЗВ) из их источников, расположенных на водосборных территориях, исследуются в рамках научного направления неточечного или диффузного загрязнения (ДЗ) ВО. По оценкам экспертов, доля диффузного загрязнения ВО от суммарного варьируется в пределах от 50 до 75 % [1, 2, 9]. Существенная доля загрязнения, продуцируемая источниками ДЗ, вызывает необходимость разработки современных методов анализа и управления потенциальными источниками загрязнения, направленных на минимизацию соответствующих рисков и угроз. Для этих целей применяются методы:

а) идентификации источников ЗВ по данным мониторинга ВО [4, 8];

б) балансовой оценки объемов ЗВ, поступающих в ВО с территорий, используемых для сельскохозяйственного производства [7];

в) регрессионного анализа данных мониторинга концентраций ЗВ в ВО [5];

г) моделирования геохимических потоков на водосборных территориях [12];

д) оценки эрозионного потенциала почв по уравнениям водной эрозии [11];

е) картирования почвенных характеристик и индикаторов [10].

Методы первых трех перечисленных выше групп, широко применяются в РФ. Однако, по нашему мнению, они не в полной мере отвечают целям устойчивого управления качеством поверхностных вод и охраны их экосистем. Причиной этому является их тесная связь с существующими методами мониторинга качества воды ВО. Эти методы направлены на оценку объемов ЗВ, попадающих в ВО за достаточно продолжительные временные интервалы (год, сезон). Это ограничение не позволяет выявлять на их основе места расположения источников ДЗ и соответственно делает их непригодными для управления водосборными территориями.

Для достижения устойчивого управления качеством поверхностных вод и охраны их экосистем необходимы методы и технологии, позволяющие минимизировать риски и угрозы формирования на водосборных территориях источников ДЗ. Для этого нужна иная методическая и информационная основы, позволяющие проводить пространственный анализ водосборных территорий с целью выявления мест формирования потенциальных источников ДЗ. Отдельные методические решения в этом направлении представлены в зарубежных публикациях методов г), д) и е), приведенных выше. Эти методы основаны на методологии информационно-аналитического обобщения и анализа слоев картографических данных водосборных территорий и направлены на выявление рисков поступления загрязнения ВО из потенциальных источников ДЗ при возникновении и развитии негативных последствий от воздействий антропогенного и природного характера. Для этого были разработаны и применены инструменты геоинформационного анализа, позволяющие на основе составленных цифровых картографических моделей водосборных территорий проводить локализацию мест расположения потенциальных источников ДЗ, а также оценивать влияние принимаемых решений на минимизацию соответствующих рисков и угроз загрязнения.

Цель и задачи исследования

Целью настоящей работы являлась разработка геоинформационной модели пространственного анализа водосборной территории и локализации мест расположения потенциальных источников ДЗ, образующихся в результате водной эрозии на территориях ведения орошаемого земледелия. Для компьютерной реализации этого инструмента были решены задачи по формированию слоев цифровой картографической модели водосборной территории, а также расчета выходного слоя объемов дождевой эрозии в результате выпадения дождевых осадков и/или производственного орошения дождеванием посевов сельскохозяйственных культур. Для локализации мест расположения потенциальных источников ДЗ были решены задачи по ранжированию результатов расчета и оценке удаленности соответствующих источников от границ ВО.

Материалы и методы исследования

Тестирование разработанной геоинформационной модели было проведено на примере орошаемых полей, расположенных на территории Приволжской оросительной системы (ПОС) (Марксовский район Саратовской области). Территория ПОС расположена на левом берегу р. Волга, между двумя ее притоками: р. Большой и Малый Караман (рис. 1, а). Основная часть территории ПОС находится на Хвалынской террасе, с отметками, превышающими в этих местах отметку зеркала р. Волга на 20–50 м. В состав ПОС входит головная и поперечные насосные станции, расположенные вдоль магистрального канала (рис. 1, б). Головная насосная станция поднимает воду из р. Волга в начало самотечного магистрального канала, откуда она поднимается в последующие его сегменты, расположенные на более высоких отметках. По длине магистрального канала сооружены боковые насосные станции, подающие воду из магистрального канала на дождевальные машины кругового действия по напорным трубопроводам. На рис. 1, б окружностями радиусов, соответствующих длине дождевого фронта дождевальных машин показаны контуры орошаемых полей на начало эксплуатации ПОС в 1976 г.

Разработанный метод оценки рисков попадания ЗВ в результате дождевой эрозии основан на результатах исследований, показавших, что взвешенные ЗВ, принесенные водно-эрозионными потоками, оказывают существенное влияние на качество вод ВО. Этот метод основан на использовании технологий и инструментов геоинформационных систем (ГИС) для картографического моделирования и последующего пространственного анализа.

При реализации разработанного метода использована комбинация факторов, характеризующих эрозионный потенциал почв, таких как рельеф, почвенный и растительный покров, а также условия формирования водной эрозии, такие как режимы орошения и выпадения дождевых осадков. Для интеграции этих данных были использованы ранее сформированные слои геоданных территории Приволжской ОС [3]:

а) характеристик рельефа,

б) границ водосборных территорий,

в) линий середин русел р. Б. и М. Караман, а также их притоков,

г) характеристик растительного покрова,

д) характеристик почвенного покрова,

е) границ контуров полей, на которых ведутся поливы посевов сельскохозяйственных культур, и использованием дождевальных машин кругового действия.

Пространственная дискретизация слоев картографических характеристик почвенного и растительного покрова была связана с масштабами соответствующих карт, которые были растрированы в соответствии с разрешением использованной цифровой модели рельефа SRTM, составлявшим 90 м.

Компьютерная реализация формирования водной эрозии основана на эмпирической модели водной эрозии, вызванной дождевыми осадками [6]. Соответствующий компьютерный код был протестирован по данным, приведенным в работе [6], после чего был имплементирован в программное обеспечение (ПО) ArcGIS для анализа данных созданной картографической модели с помощью использования встроенных в это ПО функций алгебры карт. Результаты расчетов по разработанной картографической модели сформированы в виде растра, каждая ячейка которого содержит значение объема потенциальной водной эрозии, формируемой в соответствующих ему границах в результате выпадения осадков и/или проведения поливов дождеванием.

Для анализа результатов картографического моделирования были использованы инструменты ПО ArcGIS, с помощью которых было проведено ранжирование потенциальных объемов потенциальной водной эрозии по номинальным шкалам, а также пространственный анализ удаленности от ВО мест расположения источников ДЗ со значительными объемами водной эрозии.

Результаты исследования и их обсуждение

Для оценки влияния особенностей пространственного расположения и характеристик сельскохозяйственных посевов на результаты картографического моделирования водной эрозии в результате выпадения осадков и орошения дождеванием были проведены сценарные расчеты. Эти сценарии были разработаны с целью имитации поливов дождеванием в различные периоды роста и развития орошаемых культур. Для реализации сценарных расчетов были сформированы соответствующие наборы исходных данных, представляющие характеристики растительного покрова на полях с посевами кукурузы и сорго для трех фаз их вегетации.

На рис. 2 представлены результаты пространственного анализа результатов картографического моделирования водной эрозии на водосборе р. М. Караман, вызванной дождевыми осадками и дождеванием сельскохозяйственных посевов.

Пространственное расположение мест формирования потенциальных источников ДЗ с ранжированными объемами ЗВ представлено на рис. 3 для буферной зоны с расстоянием 500 м от середин русел водотоков. На этом рисунке внутри контуров полей, где ведется дождевание, отображены участки с рассчитанными объемами потенциальной водной эрозии, попавшие в буферную зону. При этом сельскохозяйственные поля, на которых расположены эти контуры, характеризуются значительными объемами вносимых удобрений, а также применением гербицидов. Таким образом, места внутри этих контуров представляют собой потенциальные источники ДЗ р. М. Караман.

erm1a.tif а) erm1b.tif  б)

Рис. 1. Картографические слои исходных данных территории Марксовского района Саратовской области: а) топография, поверхностные водные объекты; б) магистральный канал и контуры полей орошаемых дождевальными машинами

erm2.tif

Рис. 2. Пространственное распределение удельных объемов потенциальной водной эрозии на водосборе р. М. Караман при пространственном разрешении 90 м в буферной зоне на расстоянии 500 м от линий середин водотоков

erm3a.tif а) erm3b.tif б)

Рис. 3. Локализация в буферной 500-метровой зоне от одного из притоков р. М. Караман мест расположения участков полей с посевами кукурузы при орошении поливной нормой 50 мм: а) на стадии прорастания; б) на стадии колошения

Выводы

Картографические модели и инструменты, основанные на технологии геоинформационных систем, позволяют проводить компьютерное моделирование и пространственный анализ результатов формирования гидрохимического стока в результате водной эрозии на пространстве водосборной территории. Получаемые в результате картографического моделирования наборы пространственных данных могут служить основой для идентификации на водосборе потенциальных источников диффузного загрязнения ВО, а также для оценки объемов поступления компонент ЗВ с территорий, занятых выращиванием посевов орошаемых сельскохозяйственных культур.

Дополнение слоев геоданных, используемых для ранжирования территории водосбора по потенциалу переноса почвенных частиц в результате водной эрозии, соответствующими слоями геоданных с информацией о границах участков сельскохозяйственных территорий, видами выращиваемых сельскохозяйственных культур, применяемыми технологиями обработки почв, объемами вносимых удобрений и средств защиты растений и т.п. позволило оценить потенциальные риски и угрозы загрязнения ВО.

Применение геоинформационных технологий основано на использовании доступных массивов геоданных и позволяет получать результаты, необходимые для пространственного анализа диффузного загрязнения ВО со средним и высоким уровнем детализации. Разработанный геоинформационный инструмент может быть использован специалистами для пространственного анализа водосборной территории и локализации на ней участков с разными объемами водной эрозии, расположенных на разной удаленности от границ ВО.

Реализованный метод и созданный геоинформационный инструмент позволяет проводить пространственное ранжирование участков водосборных территорий по значениям потенциальной нагрузки на водный объект в результате дождевой эрозии. Результатом реализации этого подхода на основе технологий ГИС является картографическое отображение пространственной дискретизации территории водосбора в результате ее ранжирования по соответствующим шкалам нагрузки на водный объект.

Ранжирование потенциальных источников диффузного загрязнения по удаленности от водного объекта позволяет выстроить приоритеты мероприятий, направленных на минимизацию негативного воздействия содержащихся в них компонент загрязняющих веществ на качество воды водного объекта и его экосистем. В частности, это может касаться сроков внесения удобрений и применения гербицидных препаратов.