ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЭГ КАРТИРОВАНИЯ Назначение ЭГК — оценка

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ЭГ КАРТИРОВАНИЯ Назначение ЭГК - оценка экологических рисков в системе: человек – литосфера. Эколого-геологическая карта (ЭГК) должна обеспечить: 1. На начальном этапе - общую оценку экологической обстановки. 2. При более глубоком анализе -- выделение основных экологически опасных факторов. 3. На заключительных этапах - оценку экологических рисков или обоснование мероприятий по охране населения и окружающей среды (ОС). (см. слайд 2) Основой для построения ЭГК являются : Ш экологически значимые процессы: геохимические, гидрогеологические, геодинамические и геофизические; Ш экологически значимые свойства литосферы (физико-механических, радиационных и т. д. ); Ш уровни техногенного воздействия и особенностей природопользования. Пример на слайде 3 1

Основные блоки данных, используемые в ЭГК Первый блок - информация, необходимая для выделения зон с близкими эко-геологическими обстановкам (районирование территории). Обычно это картографическая основа построения ЭГК (инженерно-геологические, гидрогеологические и т. п. карты) Второй блок – информация, характеризующая свойства литосферы и происходящие в ней процессы. Она отражает результат полевых исследований и дополняется литературными и фондовыми материалами. Необходима для оценки эко-геологической обстановки в пределах выделенных зон. Третий блок - нормативно-методические материалы. Являются основой оценок уровня опасности и экологических рисков. Четвертый блок - сведения о характере природопользования и планах хозяйственного развития территории (ожидаемых изменениях антропогенной нагрузки). Кроме того, он включает данные мониторинга, необходимые для выявления тенденций эволюции литосферы. Необходим для прогноза последствий изменений эко-геологической обстановки (оценки экологических рисков). 2

Радиоэкологического карта района Брянской обл. База атрибутивных данных 1. Список населенных пунктов. 2. Численность населения и т. д. 3. Список и характеристика хозяйств 3

Атлас ЭГК Обычно используют несколько карт для характеристики обстановки Обзорная ЭГК с интегральной оценкой обстановки. Набор тематических карт с одним или группой близких ЭГ факторов. Легенда Базу атрибутивных данных. Врезки более крупного масштаба. Требования к содержанию атласа ЭГК Содержание и масштаб обзорной карты должны обеспечивать оценку экологической обстановки территории Тематические карты отображают показатели, на базе которых получена обзорная ЭГК и необходимы для планирования природопользования В легенде ЭГК на состояние экологической обстановки обычно указывает цвет. Обстановку оценивают с позиций допустимого экологического риска. Экономический или иной ущерб определяют количественно или в баллах, основываясь на нормативах или исходят из специально разработанных шкал и экспертных оценок. База атрибутивных данных нужна для подробного описания недропользователей и их воздействия на окружающую среду. Особое внимание следует обращать на порядок ведения базы данных, а также подготовку ответов на запросы пользователей. Врезки крупного масштаба характеризуют недропользователей и 4 результаты мониторинга экологической обстановки.

Обзорная карта Фильтр географических объектов Тематические слои 1. Эффективная годовая доза внутреннего и внешнего облучения, Зв/год 2. Удельная эквивалентная активность пород, Бк/кг 3. Радоноопасность, баллы 4. Месторождения полезных ископаемых , баллы 5. Места ядерных взрывов р/активных аварий, АЭС Дополнительные тематические слои 1. Содержание урана, 10 -4% 2. Плотность потока радона, Бк/м 2 с 3. Концентрация радона в почвенном воздухе, Бк/л 4. Источники радона 5 Принципы построения обзорной радиоэкологической карты.

6

Выбор факторов, определяющих состояние территории Обычно воздействие на экосистемы носит комплексный характер, поэтому вычленяют основные экологические факторы. Следует подчеркнуть: Единого параметра, отражающего экологическую обстановку часто не существует или его трудно получить. Чаще всего используют несколько параметров, однако объем информации следует сводить к минимуму, исходя из экономической целесообразности. Состояния литосферы оценивают, анализируя ее геологические, геодинамические, гидрогеологические, геохимические и геофизические функции, а также хозяйственную деятельность. Информативные факторы определяет характер использования территории, а также санитарно-гигиенические и экологические требования. Так, при анализе геодинамической функции рассматривают физико-механические свойства пород, выделяют значимые деструктивные геологические процессы природного и антропогенного происхождения. Анализ сопровождают оценками площадь распространения, скорости развития процессов и т. д. При исследовании геофизических факторов главное внимание уделяют анализу 7 радиационной обстановке и сейсмичности территории. (см. см 7)

Пример Цель проекта: Снижение радиоэкологических рисков для населения Брянской обл. Возможные источники радиационной опасности Внешнее облучение: естественные радионуклиды; техногенное загрязнение местности после аварии в Чернобыле. Внутреннее облучение (потенциальная опасность) : дыхание (легкие) – радон; пищеварительный тракт -- техногенные радионуклиды (137 Cs). Выявленные источники опасности Брянской области Внешнее облучение от природного гамма-излучения менее 2, 4 м. Зв/год (среднее для РФ). Повышенных содержаний радона не отмечается. Радиоактивных выпадений после аварии в Чернобыле включали цезий, стронций, йод и др. В настоящее время уровень облучения определяется 137 Cs. 8

ВЫВОД Уровень внешнего техногенного облучения определяется 137 Cs , который можно оценить по данным гамма-съемки. Оценка экологических рисков должна учитывать: поверхностную активность 137 Cs , численности жителей (коллективную дозу). Для управления радиационными рисками необходим комплект карт Карта поверхностной активности 137 Cs Брянской области с характеристикой землепользования 1: 100 000 или 200 000. Необходима для оценки экологической обстановки в области и планирования землепользованием региона в целом. Карта поверхностной активности районов Брянской области с характеристикой землепользования и планами хозяйств и поселений района М 1: 50 000 – для составления оперативных планов и контроля землепользованием районной администрацией. Планы хозяйств М 1: 20 000 с характеристикой радиационной обстановки (поверхностной активности 137 Cs в пределах хозяйства) – планирование текущей деятельности хозяйств. Карта радиоэкологической обстановки может быть получена путем наложения 2 -х слоев: активность цезия и землепользования. Легенда карты показана на слайде 4. Может использоваться для управления использованием земель. Так, если 9 сенокосы попадают в зону повышенной активности цезия, то следует либо изъять эти земли из оборота, либо использовать эпизодически, как пастбише.

Выбор уровней при оценке степени опасности Оценка радиационной обстановки, связанной с техногенным загрязнением, основана на 4 -х балльная шкала ( НРБ-99; СП 2. 6. 1. 758 -99. М. , 1999 ): условно безопасная (менее 1 м. Зв/год); потенциально опасная (1 -5 м. Зв/год); опасная (5 -20 м. Зв/год); чрезвычайно опасная (более 20 м. Зв/год). Согласно постановлению правительства СССР в зонах Чернобыльской аварии применяют шкалу, основанной на измерении поверхностной активности цезтя-137 в Ки/км 2: 1 – менее 5 – безопасное проживания; 2 – 5 -15 – потенциальная опасность, ведется радиационный контроля; 3 – 15 -40 – зона ограниченного проживания; 4 – 40 Ки/км 2 – зона отселения. В сложных случаях применяют экспертные оценки. Для оценки оптимальна 4– 5 бальная шкала: благоприятное, удовлетворительное, условно, удовлетворительное, неудовлетворительное, катастрофическое. 10

Оценка экологического состояния территории В основе шкал состояния геологических комплексов лежит вероятность восстановления системы. Примерная шкала оценок: 1. Благоприятное – негативные воздействия отсутствуют. 2. Удовлетворительное – объекты испытывают внешнее воздействие, но их уровень не превышает способность ЭС к самовосстановлению и их состояние устойчиво. Уровни экологических факторов (ЭФ) не превышают ПДК/ПДУ. 3. Условно удовлетворительное – уровень воздействия превышает возможности ЭС к восстановлению и она деградирует, однако после прекращении воздействий ЭС постепенно восстановит свои свойства. Требуется ограничение хозяйственного использования и проведение защитных мероприятий. ЭФ до 5 раз превышают ПДУ/ПДК; 4. Неудовлетворительное – территория деградирует. ЭФ в 5 -10 раз превышают ПДУ/ПДК, чтобы изменить ситуацию необходимо: ограничение хозяйственного использования; оперативное проведение природоохранных мероприятий. 5. Катастрофическое – природные системы не могут быть восстановлены, а хозяйственная деятельность невозможна без крупных 11 природоохранных мероприятий. ЭФ в десятки раз превышают ПДУ/ПДК.

Геологическая основа ЭГК Предложить единую геологическую основу для обзорной и тематических ЭГК трудно, поэтому основа зависит от рассматриваемой. эколого-геологической функции или экологического фактора. С помощью геологической основы решают две основные задачи: выделяют участки однородные по строению, характеру протекающих процессов, а также с близкой реакцией на техногенное воздействие; оценивают в пределах этих участков возможность и масштабы процессов, а также свойства литосферы, влияющие на экосистемы и техногенные объекты. 12

Примеры зонирования территорий на геодинамической, геохимической и экологической картах 1. Иерархия признаков геодинамического районирования горноскладчатых районов Первоначально выделяют крупные регионы, соответствующие структурно-геологическим особенностям. В пределах регионов выделяют однородные геоморфологические зоны. Дифференциация зон на более мелкие участки определяется составом, мощностью и обводненностью четвертичных отложений. Более мелкие таксоны выделяют по почвенно-растительному покрову. Набор таксонов зависит от масштаба карт и сложности строения территории 13

Выделение таксонов при составлении ЭГК Москвы Город расположен на стыке трех крупных геоморфологических областей, разделенных долинами рек Москва и Яуза (см. слайд 14). На его территории выделяют 4 инженерно-геологические области. Три из них соответствуют новейшим тектоническим поднятиям и отличаются интенсивностью их проявления: А - Умеренное поднятие - юго-западная часть Москвы, которая относится к Московско-Окской полого-увалистой равнине. B - Слабое поднятие - север и северо-запад Москвы, который является частью Смоленско-Московской моренно-эрозионная возвышенности. C - Весьма слабое поднятие - северо-восточная часть Москвы. Входит в пределы Мещерской равнины. Область D выделяют по долинам р. Москва и Яуза. Она пересекает город с северо-запада на юго-восток, занимает треть его территории города и образуется тремя надпойменными и пойменной террасами 14

Геоморфологическая ката Москвы В С D А 15

Иерархия признаков эколого-геохимических карт Основа должна отражать факторы, с которыми связан геохимический фон, аномалии опасных веществ, форму их нахождения и условия миграции. В горных районах выделение таксонов может базироваться ландшафтах: Наиболее крупные объекты – ландшафты высокогорий, средне- и низкогорий, предгорных равнин. Они различаются по составу почв, растительности, водному балансу. Ландшафты более низкого уровня: трансаккумулятивные, трансэлювиальные и транссупераквальные. Они определяют горизонтальную миграцию элементов и увязываются с геоморфологией территории. Класс водной миграции в гумусовом горизонте почв - следующий уровень контролирующий условия переноса элементов. Почвообразующие и подстилающие породы или микроландшафты, выделяются по видам растений, способным накапливать токсиканты и дающим начало трофической цепи миграции элементов. Геохимические аномалии. Природным аномалиям отвечают породы с повышенным содержанием элементов (геохимические провинции). Для техногенных важны сорбционные и окислительно-восстановительные свойства почвы, являющихся барьером при вертикальной миграции элементов. 16 Набор перечисленных таксонов определяется масштабом карт.

3. Иерархия экосистем Уровень иерархии экосистемы формируется системообразующим фактором и имеет относительно самостоятельный круговорот веществ. Функциональное соподчинение экосистем различного уровня организации: биогеоценоз (однородная экосистема с относительно самостоятельным обменом веществ); ландшафт (территория, обладающая общей историей, едиными геологическим фундаментом, климатом, сочетанием почв, флоры и фауны): природный пояс (зона хвойных лесов, тайги и др. ); биогеографическая область (материковый блок, океан); слой биосферы (аэробиосфера, террабиосфера, литобиосфера, гидробиосфера; биосфера в целом. 17

Оценка значений параметров, характеризующих экологические факторы Для оценки параметров применяют цифровые или порядковые шкалы. Цифровой шкале соответствует то, что мы можем измерить. Порядковые шкалы основаны на субъективных или экспертных оценках. Чтобы сравнить параметры, измеренные в разных шкалах, цифровую шкалу разбивают на диапазоны, каждому из которых присваивают определенный балл (часто разбивка шкалы нелинейная). Так задача сводится к сравнению баллов. Математические требования запрещают арифметические операции с баллами. . Возможно только их сравнение, поэтому сводной оценке следует присвоить худший балл. Пусть получены балльные оценки трех параметров: А= 1(очень плохо); В=3 (удовлетворительно) и С=4(хорошо). Сводная оценка по результатам определений параметров А, В и С равна 1 (очень плохо). Это решение представляется разумным. Если территория по уровню радиоактивности соответствует зоне отселения, ее другие качества не играют значения. Часто сводную оценку получают, нарушая математические требования. Примером является методика сопоставления качеств военных кораблей, предложенная А. Н. Крыловым в начале 20 -го века. Для этого он предложил параметр, равный сумме оценок в баллах (b) отдельных боевых качеств корабля с учетом веса (k) параметра 18

Система оценок состояния среды на сводных картах Обобщая методики сводных оценок, можно выделить два основных подхода. 1. Находят общую для всех признаков единицу измерения. Можно свести действие всех факторов к единому критерию, используя сокращение средней продолжительности жизни, материальный ущерб или превышение над ПДК или ПДУ, установленное для каждого признака. Универсальной обобщающей единицей является экологический риск, который равен произведению величины ущерба на вероятность его нанесения. 2. Уровень экологмчесого фактора оценивают в баллах. Итоговый балл находят, используя различные алгоритмы. Сводная оценка равна сумме баллов p∑ =∑pi =0, 2+0, 4+0, 8. Сводной оценке присваивают наибольший бал p∑=max(pi). Итоговый балл вычисляется, как сумма произведений частных баллов, умноженных на соответствующие веса p∑=∑pi·ri/ Перечисленные алгоритмы предполагают равное число градаций в каждом признаке. Если это не так, то число градаций итогового балла неизбежно должно соответствовать минимальному. Если признаки измерены в разных шкалах, то приходится переходить от численных измерений к системе бальных оценок. 19

Алгоритм построения сводной карты Целесообразно придерживаться определенной последовательности построения карт: 1. Строят тематические карты или слои для отдельных факторов. 2. Обобщают карты по группам: геохимические, геофизические и т. д. 3. Строится итоговая карта. Рассматривая уровни факторов, следуют правилам: Если возможно, факторы оцениваются в единых числовых показателях – число смертей на 1 тыс. жителей, продолжительности жизни, ПДК, мощность дозы и др. В противном случае используют баллы. Оценки в единицах одной размерности суммируются, а затем переводятся в баллы согласно разработанной таблице. Все параметры должны иметь одинаковое число градаций. При суммировании баллов, необходимо составить таблицу весового вклада каждого фактора. За единицу принимают фактор с наибольшим весом. Если факторы коррелируют, это также должны учитывать веса. Основой может служить коэффициент детерминации. Смысл такого учета следует из принципов корреляционного анализа. Пусть коэффициент детерминации между i -м фактором и остальными - 0, 5. Это значит, что 50% изменчивости i -го параметра отражают другие, связанные с ним. Следовательно, при суммировании вес i -го параметра принимают 0, 5. 20

Диапазон изменения баллов целесообразно разбить в интервале от 0 до 1: 0 - условия благоприятны, 1 – самый плохой вариант. При таком подходе оценка будет соотнесена с вероятностью наступления наихудшего события. Суммарный рейтинг территории на ЭГК должен учитывать тот факт, что неблагоприятный балл одного параметра может компенсироваться благоприятным баллом другого параметра даже, если эти параметры не коррелированны. Поэтому алгоритм подсчета суммарного рейтинга фактора определяется формулой где pi, ri – балл и вес i–го признака. Однако, если pi=1 (наихудшая оценка), предлагается использовать метод поглощения максимальной оценкой всех остальных, то есть P=1, если pi=1 21

База данных эгк База данных (БД) — это набор сведений, относящихся к определенной теме или задаче. База данных должна включать: информацию о принципах построения карты и ее тематических слоев; сведения об информативно-правовой базе всех построений; раскрывать смысл условных обозначений; удовлетворять запросы пользователя о характере территории, условиях и процессах, определяющих экологическую обстановку и обеспечивать подготовку документов на основе этих запросов. Данные хранятся в таблицах, каждая из которых связана с определенной темой. Столбцы таблиц содержат однотипные сведения. Строки соотносятся с объектами на карте. Обычно таблице соответствует файл, состоящий из последовательности записей, каждая из которых соответствует строке таблицы Пример. БД наиболее динамическая часть ЭГК, а потому требуется: • поддержка (обновление) БД, чтобы она не «устаревала» ; • совершенствование БД по мере накопления опыта ее использования. Любая база данных - итог совместной работы пользователя и программиста. Которая строится так: 1. Начинают с перечня задач, для решения которых необходима БД. 2. Определяют перечень запросов и формы вывода ответов запросы. По мере получения ответов на перечисленные вопросы формируется 22 структура таблиц БД.

Пример структуры эко-радиологической ГИС Состав многоуровневой структуры ГИС: Обзорная карта верхнего уровня характеризует суммарную радиационную опасность территории. Следующий уровень отражает влияние отдельных факторов, каждому из которых отводится тематический слой или карта. Дополнительные тематические слои соответствуют источникам повышенной радиоактивности. База данных ГИС строится с учетом подготовки пользователя и специфики экологических факторов. Для обзорной карты достаточно ограничиться описанием источников радиационной опасности. Тематические слои карты могут иметь многоуровневую структуру атрибутивных данных и включать реляционные таблицы 23

Структура эко-радиологической ГИС 24

Структура базы данных тематического слоя «Доза внутреннего и внешнего облучения населения» Описание таблицы Общие данные содержат дозы для населения в единицах измерений, применяемых радиоэкологии. Они учитывают внешнее, а также внутреннее облучение (связанное с радоном). Для оценки вклада радиации в общую экологическую ситуацию, даны потери продолжительности жизни человека 1. 1 1. 2 1. 3 1. 4 Подробные сведения характеризуют причину радиационной опасности данной территории. 2. 1 2. 2 Специальные данные рассчитаны на 2. 3 геологов, анализирующих радиационную 2. 5 обстановку региона. 3. 1 Атрибутивная таблица слоя: «Эффективная доза внутреннего и внешнего облучения» 1. Общие данные Эффективная годовая доза, Зв/год Мощность эффективной дозы, м. Зв/час Мощность экспозиционной дозы, мк. Р/час Потенциальный ущерб потеря 1 чел. -год жизни 2. Подробные данные Содержания урана, 10 -4% Содержания тория, 10 -4% Содержания калия, % Доля космической составляющей 3. Специализированные данные Сведения о радиоактивности 25 горных пород

Литература 1. Геоэкологическое картографирование: Тез. докл. Всерос. науч. -практич. конференции: Научно-методические и технологические основы геоэкологического картографирования (164 с. ); Методы региональных геоэкологических исследований и картографирования (219 с. ); Опыт и результаты картографических работ в России и сопредельных странах (181 с. ). М. : ВСЕГИНГЕО - Геоинформмарк. 1998. 2. Инструкция по составлению и подготовке к изданию листов государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1: 200 000. М. : Роскомнедра. 1995. 244 с. 3. Новые типы инженерно-геологических и эколого-геологических карт. Труды Междунар. науч. конференции 29 -30 мая 2001 г. М. , МГУ / Под ред. В. Т. Трофимова и В. А. Королева. М. : Изд. МГУ. 2001. 186 с. 6. Трофимов В. Т. , Зилинг Д. Г. Теоретико-методологические основы экологической геологии: Учеб. пособие. СПб. : Изд-СПб. ГУ. 2000. 68 с 7. Трофимов В. Т. , Зилинг Д. Г. Систематика эколого-геологических карт// Геоэкология. 2001. N 8 1. С. 66 -73. 8. Экологические функции литосферы / Под ред. В. Т. Трофимова. М. : Изд. МГУ. 2000. 432 с. 9. Трофимов В. Т. , Зилинг Д. Г. , Барабошкина Т. А. , Харькина М. А. Экологогеологические карты: Учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПб. ГУ. 2002. 125 с. 26