Геоинформационное и ландшафтно-экологическое картографирование

Основания для картографирования

Суммарные площади поражения природных систем на территории промыслов значительны. Принципы их картографирования и особенно изображение пространственных проявлений отдаленных эколого-геохимических следствий воздействий производства разработаны слабо.

Уменьшение риска необратимых изменений природной среды и минимализация отрицательных следствий невозможны без адекватной оценки всех вариантов пространственных проявлений процессов трансформации природных комплексов. Вследствие этого важнейшая форма анализа состояния природных систем - картографическая. Имеющиеся данные свидетельствуют, что комплексное ландшафтно-геохимическое картографирование техногенно-трансформированных земель является одним из самых сложных методов исследования природной среды.

В районах добычи углеводородного сырья сложность подобных работ усугубляется технологией производства:

1) большим количеством территориально рассредоточенных объектов, связанных между собой линейными сооружениями (дорогами, системами трубопроводов и др.);

2) разнообразием состава веществ, выбрасываемых в природную среду и создающих сложную систему как изолированных, так и пересекающихся в пространстве ореолов загрязнения;

3) нарастанием во времени интенсивности нагрузок и увеличения ежегодного количества аварий;

4) очень высокой динамичностью процессов преобразования природных систем.

Содержание и методы составления оценочных карт определяются не только спецификой трансформирующих факторов, но и целями картографического анализа и особенностями анализируемых ландшафтов. От этого зависит и комплекс решаемых в каждом случае задач, и масштаб оценок.

На стадии эксплуатации нефтяных месторождений основное назначение картографической документации - обеспечить оценку состояния природной среды для уменьшения уровня (или риска) её деградации.

Базовыми картами для оценки состояния природной среды на стадии эксплуатации месторождений углеводородного сырья служат карты инвентаризации территорий промыслов. Принятие каких-либо адекватных решений по оптимизации природопользования и мониторингу земель возможно только на основе данных о формах территориальных изменений природных систем, включая их морфологические и геохимические перестройки (Солнцева Н. П., 1998).

Интенсивность влияния техногенных потоков в районах нефтедобывающего производства на природные системы, возможная устойчивость возникающих изменений определяются не только химическими свойствами веществ, сбрасывающихся в природную среду, но и спецификой ландшафтов, принимающих техногенные потоки. В зависимости от особенностей ландшафтов различаются конечные и промежуточные продукты преобразования загрязнителей, вследствие чего общие ответные реакции даже однотипных природных систем на техногенный пресс изменчивы во времени.

Для определения вероятности эколого-геохимических сдвигов в состоянии природной среды необходимо выявить: а) пространственную ландшафтно-геохимическую дифференциацию территории; б) потенциально возможные типы ответных реакций ландшафтов и составляющих их компонентов на техногенное воздействие. Основой подобных оценок служат факторы, определяющие экологический потенциал природной среды (Трифонов Т. А., Мищенко Н. В., Краснощеков А. Н., 2005).

Исходные материалы и методика исследований

Методологической основой исследования являются работы Гвоздецкого А. Н. по физико-географическому районированию Тюменской области и Исаченко А. Г. "Ландшафтоведение и физико-географическое районирование", В. В. Козина. Информационная база исследования представлена: материалами дистанционного зондирования Земли (космическими снимками спутниковых систем: Landsat 4, Landsat 7), векторными и растровыми данными.

Для комплексного ландшафтного анализа был взято 3 ключевых участка на Кальчинском нефтяном месторождении - район скважины 79, Герасимовском нефтяном месторождении - район скважины 33, Западно-Герасимовском нефтяном месторождении - район скважины 39. Космоснимки на заданную территорию были скачаны из сети Интернет с сайта геологической службы США (Рисунок 1) (http://glovis. usgs.gov/).

Загрузка снимка Кальчинского нефтяного месторождения  с сайта Геологической службы США

Рисунок 1. Загрузка снимка с сайта Геологической службы США

Ландшафтная дифференциация территории по различным признакам позволяет отразить современные процессы функционирования природно-территориальных комплексов (ПТК) и, как результат, оценить степень совместимости ландшафтов и инженерных сооружений. Инвентаризация и картографирование ландшафтов (ПТК) в зоне влияния проектируемого объекта является основой оценки экологического потенциала территории.

Целям оценки и масштабу картографирования отвечают две классификационно-таксономические единицы типологической группы тип местности и вид урочища.

Вид урочища представляют собой систему сопряженных фаций, приуроченных к одной мезоформе рельефа на общей геологической основе (Козин В. В., Петровский В. А., 2005 г.). Определяющими свойствами в дифференциации видов урочищ являются растительность и микрорельеф при относительно однородном литолого-фациальном комплексе (ЛФК). Ведущим факторальным признаком является структурно-динамическое единство подурочищ и фаций.

Типы местности выделены как относительно однородные участки земной поверхности, объединенные по принципу генетического и морфологического сходства формирующих его урочищ, характеру мезорельефа, типу сочетания литолого-фациальных комплексов, степени дренированности. По типу местность крупная, относительно равноценная с точки зрения хозяйственного использования территория, обладающая закономерным, только ей присущей сочетанием урочищ (Мильков Ф. Н., 1966 г.). Сочетание разных типов местностей с характерными урочищами определяет морфологическую структуру ландшафтных районов. (Козин В. В., 1999 г.). Общие черты их обусловлены местоположением и композицией ландшафтообразующих процессов. Основанием для выделения типов местности служат генетическое и морфологическое сходство формирующих его доминантных и характерных урочищ, тип сочетания литолого-фациальных комплексов и степень дренированности.

В обобщенном виде методика картографирования сводится к следующему последовательному ряду операций:

1) выделение контуров природных комплексов ландшафтной структуры (видов урочищ) в соответствии с фотоструктурными особенностями космоснимков;

2) определение связи видов урочищ с местоположением, абсолютными и относительными высотами, характером расчленения, торфонакоплением, дренированием, денудацией, и т.д. и упорядочивание их в типы местности;

3) наполнение легенды сведениями о компонентах природных комплексов, данными топографических, геоботанических, инженерно-геологических и других карт.

В качестве источников информации при создании ландшафтно-экологической карты были использованы следующие материалы:

фактические материалы выполненных полевых исследований по инвентаризации и оценке ландшафтов и компонентов природной среды;

топографические карты и планы различных масштабов;

космические снимки.

При создании ландшафтно-экологической карты использовался программный комплекс MapInfo, где осуществлялась привязка космоснимка, его векторизация (выделение полигонов), занесение атрибутивной информации.

Инвентаризация ландшафтов открывает возможность проведения сопряженного тематического картографирования и анализа компонентов природной среды на основе процедуры возвратного ландшафтного анализа. Так, ландшафтная карта позволяет проанализировать структуру почвенно-растительного покрова для более детальной характеристики природных компонентов. Ландшафтная карта использована также для оценки функций, ценности, устойчивости природных комплексов.

Ландшафтная дифференциация территории

Согласно схеме ландшафтного районирования территория исследования расположена в Западно-Сибирской равнинной стране, Тобольской провинции, Туртасской подпровинции ("Атлас Тюменской области", 1971 г.).

Структуру природных ландшафтов в районе строительства разведочной скважины образуют 2 природных типа местности, объединяющих 4 вида урочищ.

1. Пологоволнистый южно-таежный тип местности

Пологоволнистые дренированные южно-таежные поверхности водораздельных равнин, занятые кедрово-березовыми лесами на иллювиально-гумусовых почвах

2. Тип местности верховых болот

Слабодренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с сосново-сфагново-кустарничковой растительностью на верховых болотных торфяных почвах

Слабодренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с моховой растительностью и редколесьем на верховых болотных торфяных почвах

Недренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с моховой растительностью и редколесьем на верховых болотных торфяных почвах.

Функции, ценность и устойчивость природных комплексов

Под функциями ландшафтов понимается выполнение различными структурными частями природных комплексов или их компонентами потребностей общества или условий устойчивого существования природных систем в процессе взаимодействия общества и природы. Функции ландшафта определяются общественными целями, выполнение которых возлагается на ландшафт или в выполнение которых включается ландшафт.

Ландшафт может выполнять несколько функций одновременно или в некоторой последовательности. Вместе с тем существуют и взаимоисключающие потребности, приводящие к ограничению числа выполняемых функций (нефтегазовое освоение, например, исключает или ограничивает возможности развития традиционного природопользования, с которым оно находится в конкурирующих отношениях). В ряде случаев возможность выполнения функций данным ландшафтом зависит от характера функций, выполняемых смежными, а иногда и довольно удаленными ландшафтами ("Охрана ландшафтов", 1982 г.).

Создание техногенных объектов предполагает изменение функций природных комплексов за счет трансформации биоты (нарушение растительного покрова), изменения литогенной основы (насыпи, расчистки), изменение режима стока (при его блокировании) или химических загрязнителей. С позиции проектировщиков первоочередному учету подлежит устойчивость природных комплексов, понимаемая как надежность их для безаварийного функционирования геотехнических систем. Принцип профилактичности экологического риска предусматривает учет не только инженерно-технологических функций, но и способность природно-антропогенных комплексов выполнять ресурсовоспроизводящие, средовоспроизводящие и экологические (природоохранные) функции.

В результате анализа ландшафтной структуры территории изысканий установлено, что природные комплексы выполняют целый ряд важных функций, значимых для устойчивого существования экосистем (средообразующие и защитные) и хозяйственной деятельности населения (ресурсные) функции.

Природно-территориальные комплексы рассматриваемой территории выполняют ресурсные функции, характеризующие хозяйственно-ресурсную ценность экосистем и одновременно существующий или вероятный режим их использования. К данной группе функций относятся ягодно-грибная, древесно-ресурсная и охотничье-промысловая. Защитные и средообразующие функции определяют роль экосистемы в сохранении природного комплекса данной местности, т.е. природоохранную ценность ландшафтных комплексов. К ним относятся: биостационная, водоохранная, водозапасающая, стокорегулирующая, ландшафтно-стабилизирующая природоохранные ценности.

Природно-территориальные комплексы с ландшафтно-стабилизирующей функцией сохраняют исторически сложившуюся генетически предопределенную структуру ландшафтов. Их нарушение может вызвать цепные реакции в окружающих природных комплексах, такие как поверхностный смыв почвы, эрозию, просадки грунта, заиление природной дренажной сети, таяние многолетнемерзлых грунтов и т.д.

Биостационные функции отражают особую роль экосистемы как среды сохранения генотипа территории благодаря наличию стаций основных представителей фаунистического комплекса. Водоохранные функции выполняют пойменные, припойменные и приозерные природно-территориальные комплексы (ПТК), непосредственно защищающие гидрографическую сеть и ихтиофауну. Урочища со стокорегулирующими функциями удерживают воду (и загрязнение) в течение достаточно длительного времени, постепенно отдавая ее в общую гидрографическую сеть. Водозапасающие функции имеют урочища с практическим отсутствием поверхностного стока (за исключением периода таяния снега), удерживающие в себе влагу и загрязнение.

Очевидно, что любая экосистема обладает совокупностью функций. В первую очередь, и ресурсными, и защитными. С экологической стороны наиболее важно выявление защитных функций для определения степени ущерба всему природно-территориальному комплексу осваиваемой территории. Выделение же ресурсных функций необходимо, главным образом для оценки ущерба традиционному хозяйству. Критерием выбора функции, в качестве основной, является цель проводимой работы. Так, для оценки воздействия нефтегазового промысла на окружающую среду приоритет отдается защитным функциям.

При определении ценности функций выстраивается относительный ценностный ряд, в котором функции размещаются в порядке возрастания их значимости для сохранения природных комплексов и его ресурсов. Задача определения ценностных качеств экосистем территории реализована в два этапа:

1) выстроен относительный ценностный ряд, в котором функции размещаются в порядке возрастания их значимости для сохранения природных комплексов и ресурсов;

2) проведен анализ на степень выраженности функций и продуктивность полезных свойств экосистем. При оценке хозяйственной ценности приняты во внимание наличие кормовых запасов оленьих пастбищ, запас ягодно-грибных ресурсов, наличие и величина ресурсов промысловых животных.

Оценка хозяйственно-ресурсной ценности производится в баллах от 0 до 2 в соответствии со следующей шкалой:

0 (низкая) экосистемы низинных болот, заболоченных пойм с длительным сроком затопления;

1 (средняя) экосистемы верховых болот, лесов, включая пойменные, с незначительными ресурсами ягод и грибов;

2 (высокая) экосистемы с охотничье-промысловой функцией и со значительными ресурсами ягод и грибов, экосистемы рек и озер с рыбопромысловой функцией.

Оценка природоохранного значения экосистем производится в баллах от 1 до 4 по шкале:

1 (низкая) антропогенно-нарушенные экосистемы, утратившие свою природозащитную функцию и нуждающиеся в рекультивации;

2 (средняя) экосистемы болот, подболоченных лесов, с водозапасающей и водорегулирующей функциями;

3 (высокая) придолинные леса, выполняющие ландшафтно-стабилизирующую, лесовосстановительную функции;

4 (очень высокая) экосистемы с биостационной функцией, пойменные экосистемы с водоохранной и биостационной функциями.

С учетом групповых особенностей экосистем и выполняемых ими функций, разработана шкала баллов устойчивости по отношению к механическому воздействию:

0 (неустойчивые) - легконарушаемые с низким потенциалом самовосстановления экосистемы пойменных темнохвойно-мелколиственных лесов; озерково-болотные комплексы, экосистемы долинообразных понижений с темнохвойно-березовыми травяно-болотными лесами; гидрогенные экосистемы рек и озер;

1 (среднеустойчивые) экосистемы верховых облесенных болот, подболоченных лесов;

2 (устойчивые) экосистемы хорошо дренированных водоразделов и надпойменных террас со смешанными лесами, пойменные лугово-кустарничковые комплексы, низинные болота.

Значительный ущерб почвенно-растительному покрову наносят загрязненные нефтью, нефтепродуктами и сопутствующими загрязнителями.

С учетом групповых особенностей ПТК и выполняемых ими функций шкала баллов устойчивости по уровням геохимической устойчивости к углеводородному загрязнению имеет следующий вид:

Наиболее неустойчивые (0 баллов) озера, русла рек, озерково-болотные комплексы;

Неустойчивые (1 балл) группы болотных экосистем, экосистем заболоченных лесов;

Переменно устойчивые (2 балла) пойменно-таежные экосистемы;

Устойчивые (3 балла) лесные экосистемы на суглинистых грунтах.

Шкала баллов устойчивости по отношению к механическому воздействию при строительстве и последующей эксплуатации проектируемых объектов имеет следующий вид:

0 (неустойчивые): легко нарушаемые с низким потенциалом восстановления (лога, крутые склоновые поверхности, урочища прирусловой поймы).

1 (малоустойчивые): хасыреи, термоабразионные уступы.

2 (относительно устойчивые): заболоченные леса.

3 (устойчивые): основные дренированные поверхности водоразделов с лесами, низинные болота.

Выполняемые природными комплексами функции, а также показатели ценности и устойчивости приведены в таблице 2

Таблица 1. Функции, ценность и устойчивость природных комплексов территории изысканий

Типы местности и виды урочищ Выполняемые функции Природоохранная ценность Хозяйственно-ресурсная ценность Устойчивость
1 2 3 4 5 6
Пологоволнистый южно-таежный тип местности
1 Пологоволнистые дренированные южно-таежные поверхности водораздельных равнин, занятые кедрово-березовыми лесами на иллювиально-гумусовых почвах О, ЯГ, ДР, ОхП, БС, ВО, ВЗ, ЛС 2 2 1
Тип местности верховых болот
2 Слабодренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с сосново-сфагново-кустарничковой растительностью на верховых болотных торфяных почвах ЯГ, ВЗ, СР 2 1 1
3 Слабодренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с моховой растительностью и редколесьем на верховых болотных торфяных почвах Я, ВЗ, СР 2 1 1
4 Недренированные кочковатые поверхности водораздельных равнин, занятые верховыми болотами с моховой растительностью и редколесьем на верховых болотных торфяных почвах Я, ВЗ, СР 2 1 1

Результаты проведенного анализа позволяют утверждать, что значительная часть территории относится к категории со средней степенью природоохранного значения и средней хозяйственно-ресурсной ценностью природных комплексов. Большая часть территории проведения инженерно-экологических изысканий расположена в пределах водораздельных поверхностей со средней степенью механической устойчивости. Основные функции, свойственные данным ландшафтам: охотничье-промысловая, древесноресурсная, орехово-промысловая, ягодно-грибная, водоохранная, водозапасающая, ландшафтно-стабилизирующая, биостационная, стокорегулирующая.

Создание ресурсной базы

По имеющимся материалом была собрана база данных, включающая в себя обширную информацию о месторождениях Уватской группы.

Для этого в программном комплексе ArcGis 10 была проведена векторизация растровых материалов (в формате.jpg). На основании имеющихся векторных слоев была организована файловая база данных в формате gdb, в которой для некоторых слоев были организованы подтипы (Рисунок 3).

Пример созданной базы данных по добыче нефти

Рисунок 3. Пример созданной базы данных

Основные работы по добыче нефти ведутся на Кальчинском, Тямкинском, Северо-Демьянкиском, Герасимовском, Восточно-Герасимовском, Урненском, Радонежском, Южно-Петьегоском месторождениях.

На основании имеющихся векторных и растровых данных была создана обзорная карта проектных скважин, обзорные карты каждого лицензионного участка в масштабе в 1: 500000 (Приложение А), включающие следующие слои:

Таблица 2. Тематические слои

Слой Подтипы Поля
Административно-территориальное деление Тюменская область Идентификатор

Название района

Код

Индекс

Длина по координатам

Площадь по координатам

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Смежные территории Страна

Субъект

Административный район

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Гидрография Озёра Топокод

Название

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Реки Топокод

Название

Судоходность

Средняя ширина русла

Вид водного объекта

Расчетная длина

Грунты Топокод

Название

Характер грунтов

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Растительность - Топокод

Название

Описание растительного покрова

Название

Состав растительности

Вид растительного покрова

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Месторождения - Название участка

Название месторождения

Тип

Стадия освоения

Год открытия

Ранжирование по запасам нефти

Субъект федерации

Населённые пункты - Статус

Наименование

Состояние

Особо охраняемые природные территории - Наименование

Категория

Профиль

Категория земель

Наличие прав собственности

Кадастровое деление

Площадь (га)

Административная принадлежность

Дата создания

Нормативно-правовой акт о создании ООПТ

Действующие редакции

Археологическая деятельность

Гидромелиоративные, ирригационные и дноуглубительные работы

Охота и сопутствующая деятельность

Поиск и использование полезных ископаемых

Рубка леса

Рыбохозяйственная деятельность

Сельскохозяйственная деятельность

Строительная деятельность

Экскурсионно-туристическая и рекреационная деятельность

Расчетный периметр

Расчетная площадь

Лицензионные участки Лицензионный участок N Название участка

Серия

Номер лицензии

Цель

Основание выдачи

Срок действия

Недропользователь

Учредители

Головное предприятие

Прочие лицензии Топокод

Название

Характер грунтов

Расчётный периметр

Расчётная площадь

Коммуникации ЛЭП Тип

Код

Расчетная длина

Коммуникации Трубопроводы Топокод

Название

Описание объекта

Статус

Продукт

Расчётная длина

Автодороги Материал покрытия

Название дороги (номер)

Расчётная длина

Железные дороги Описание объекта

Топокод

Расчётная длина

 

Анализ растительности с помощью вегетационного индекса

Имея спектральные данные на какую-либо территорию, можно анализировать растительный покров. Мощный инструмент для анализа растительности в дистанционном зондировании - это вегетационные индексы.

Вегетационные индексы рассчитываются на основе имеющихся спектральных данных. Эти индексы сформулированы таким образом, чтобы использовать свойства растительного покрова.

Для выявления изменений растительного покрова во времени на территории Кальчинского месторождения был проведен анализ растительности в программном комплексе ENVI и рассчитаны вегетационные индексы NDVI.

Формула для расчета индекса NDVI следующая:

NDVI= (NIR-Red) / (NIR+Red)

Где NIR - значение отражение в инфракрасной области спектра

Red - значение отражения в красной области спектра

Индекс NDVI - это безразмерный показатель. отражающий активность вегетации растительности, но в то же время он коррелирует со следующими параметрами: содержание хлорофилла, площадь листовой поверхности, сомкнутость и архитектура растительного покрова, поглощение фотосинтетически активной радиации. Также наблюдается связь значения индекса NDVI с такими показателями, как продуктивность, биомасса, влажность почвы, испаряемость, объем выпавших осадков, мощность и характеристики снежного покрова. NDVI часто используют как один из инструментов для более сложных типов анализа. Результатом которых, могут являться карты продуктивности лесов и сельскохозяйственных земель, карты ландшафтов и природных зон, почвенные, аридные, фитогидрологические и другие эколого-климатические карты.

Чтобы проследить динамику изменения растительности решено было использовать несколько разновременных снимков за 1988, 2006 и 2011 г. (рис.4,5,6).

Снимки получены со спутника Landsat 4 и Landsat 7.

Спектральный диапазон спутника Landsat:

0,45-0,52 (синий), 0,53-0,61 (зеленый), 0,63-0,69 (красный), 0,78-0,90 (ближний ИК) .

Анализ растительности и расчёт индекса NDVI можно проводить в программном комплексе ArcGis и ENVI. В данной работе расчёт проводился в ENVI 4.7.

Снимок территории Кальчинского месторождения 1988г

Рисунок 4. Снимок территории Кальчинского месторождения 1988г.

 Снимок территории Кальчинского месторождения 2006г

Рисунок 5. Снимок территории Кальчинского месторождения 2006г.

Снимок территории Кальчинского месторождения 2011г

Рисунок 6. Снимок территории Кальчинского месторождения 2011г.

В результате анализа растительности было замечено, что растительный покров на территории разработки и эксплуатации месторождения снизился. Согласно выбранной цветовой схеме, светлый тон указывает на участки с наименее развитым растительным покровом, темный - с наиболее развитым. Следовательно, необходимо принимать меры по восстановлению и рекультивации земель. Если это сделать невозможно из-за строительства промышленных объектов и эксплуатации скважин, то важно рационально использовать данную территорию, чему может способствовать ландшафтное картографирование

Таким образом, на примере разновременных снимков одной территории, можно проследить характер изменения территории, что доказывает обоснованность использования данных дистанционного зондирования Земли и методов их обработки и анализа.

 Результат расчёта индекса в NDVI снимка 1988г

Рисунок 8. Результат расчёта индекса в NDVI снимка 2006г.

Результат расчёта индекса в NDVI снимка 2011г

Рисунок 9. Результат расчёта индекса в NDVI снимка 2011г.