Принципы и методы создания экологических карт

Классификация экологических карт

Вопросы классификации экологических карт решаются по-разному, в зависимости оттого, что положено в основу классификации. Большинство авторов классифицируют экологические карты по научно-прикладной направленности, содержанию, тематике и источникам информации.

При классификации по научно-прикладной направленности выделяют:

      ·    Инвентаризационные

      ·    Оценочные

      ·    Прогнозные

      ·    Рекомендательные

Классифицируя по содержанию, выделяют:

      ·    карты оценки природных условий и ресурсов для жизни и деятельности человека;

      ·    карты неблагоприятных и опасных природных условий и процессов;

      ·    карты антропогенных воздействий и изменений природной среды;

      ·    карты устойчивости природной среды к антропогенным воздействиям;

      ·    карты охраны природы и природоохранных мероприятий;

      ·    медико-географические карты;

      ·    карты рекреации;

      ·    комплексные экологические (эколого-географические, геоэкологические карты).

Тематически, карты разделяют на:

      ·    карты воздействий на природную среду и их последствий

      ·    карты оценки состояния природной среды

      ·    карты прогноза состояний природной среды и оценки ее

      ·    прогнозируемого состояния;

      ·    общие эколого-географические карты;

      ·    карты существующей системы природоохранных мероприятий, природоохранных организаций, природоохранных технических устройств;

комплексные карты охраны природы.

Подходы и методики экологического картографирования

Возрастающая практическая значимость эколого-географического картографирования и отсутствие единого комплексного подхода при региональных исследованиях определяют потребность в разработке методов, приемов и подходов картографического анализа экологического состояния для отдельных региональных структур как природного, так и социального деления. Карты незаменимы при изучении пространственных различий и взаимосвязей, при необходимости выражения результатов исследования с точной территориальной привязкой. Карты сопровождают многие направления экологических исследований и служат рабочим инструментом, а так же итоговым документом. Практика показывает, что из различных форм географической научной отчетности практиками более всего предпочитается карта. Кроме того, в последние годы к экологическим картам большой интерес проявляют не только специалисты, но и общественность, публикации в научной печати свидетельствуют, что многие тематические карты самого разного содержания приобретают экологический характер при экологическом подходе к предмету отображения.

В связи с тем, что при разработке методических положений эколого-географических исследований применение картографических средств является первостепенным и неотъемлемым условием, отсюда любая разрабатываемая и используемая методика анализа и оценки экологического состояния окружающей среды подразумевает, в первую очередь, картографирование, а это дает право рассматривать карты экологической тематики как визуализированное представление методологии проведения эколого-географического исследования. Актуальность использования и отличительная роль современной картографии в исследовании эколого-географических проблем состоит в том, что она позволяет с помощью карт, построенных на принципах системного пространственно-временного моделирования, исследовать свойства природных комплексов, их изменения во времени, связи и пространственные отношения.

В качестве операционных единиц картографирования – территориальных ячеек организации информации могут использоваться, как регулярные сетки, так и административно-территориальные образования или природные ареалы, выделенные по различным основаниям (речные бассейны, лесные массивы, промышленные и добывающие регионы). Однако все чаще используется ландшафтная основа, которая наиболее соответствует отражению объективной реальности среды жизнедеятельности человека. Трудности применения ландшафтных единиц связаны с отсутствием детальных ландшафтных карт на ряд экологически проблемных территорий. К проблемам другого рода относится большая зависимость содержания карт от государственной и ведомственной статистической информации, имеющей приуроченность к единицам административно-территориального деления, что приводит к сложности её интерпретации в природных контурах.

Комплексные экологические карты и атласы на территорию России обычно создаются большими коллективами авторов с использованием системного подхода. При создании карт опираются на ведущие теоретически концепции и комплексные методические разработки, соответствующие программам карт и атласов. Большая часть созданных карт содержит интегрированные показатели, получаемые при обработке громадного объема разнородной информации экологического характера. Такие карты носят универсальный научно-справочный характер. Они дают целостное представление об экологической ситуации как в целом в стране, так и в ее различных регионах, однако они могут быть посвящены и отображению относительно узкой, специальной экологической тематики. Наиболее общепринятым для картографирования принят подход, сочетающий оценку и отображение двух категорий факторов – природных и техногенных. При этом содержание карт носит многоплановый характер – двуплановый и трехплановый. Первый план составляет характеристика природных условий, как экологического фактора, иначе говоря, экологического потенциала природных комплексов. Второй план – антропогенно-техногенная составляющая экологической среды, включающая отображение фоновых нарушений природной среды, связанных с хозяйственной деятельностью человека. При этом все отображаемые объекты подразделяются по их экологическому состоянию или по экологической напряженности, дифференцируются по уровню загрязнения. Третий план – последствия изменений в окружающей среде для здоровья и условий жизнедеятельности человека.

Практически каждый показатель природно-ресурсного потенциала антропогенного воздействия на природную среду современного состояния компонентов окружающей среды, исследуемый в регионах, служит предметом отображения на компонентной или комплексной экологической карте. Некоторые из них имеют вспомогательное значение в качестве рабочих материалов, другие являются итоговым документом или источником информации для дальнейшего анализа, в ходе исследований осуществляется постепенный поэтапный переход от анализа к синтезу, от экологической оценки отдельных компонентов природной среды к экологическому потенциалу ландшафтов, к их состоянию с учетом антропогенных воздействий. Таким образом, в процессе эколого-географического исследования создается комплект карт аналитического и комплексного содержания, а часто и серия экологических карт. Экологические карты не являются единообразными ни по методикам, ни по тематике и элементам содержания. Их наполнение зависит от назначения, размеров, масштаба исследования и экологического состояния территории. В настоящее время можно говорить об отсутствии единства содержания, согласованности, взаимодополняемости и сравнимости, т.е подлинной системности региональных экологических карт.

Картографирование загрязнения атмосферы

Одной из важных частей экологического картографирования, является исследование загрязнения атмосферы. Картографирование загрязнения атмосферы складывается из:

      ·    картографирования потенциала загрязнения атмосферы

      ·    картографирования источников загрязнения

      ·    картографирование уровней загрязнения.

С эколого-гигиенической точки зрения наибольший интерес для картографирования представляют следующие характерные уровни загрязнения атмосферного воздуха:

      ·    Средний годовой (многолетний) уровень, который формируется при наличии динамического равновесия между эмиссией и рассеянием атмосферных загрязнений;

      ·    Уровень загрязнения, складывающийся при сочетании обычного (или скорректированного согласно плана мероприятий при НМГ) режима работы предприятий – источников загрязнения атмосферы, и неблагоприятных для рассеяния метеоусловий (5% повторяемости, согласно действующей системы экологического нормирования)

      ·    Уровень загрязнений, который может возникнуть при аварийном выбросе от потенциально опасного объекта при определенных заданных(обычно неблагоприятных) метеоусловиях

      ·    Фактически существующий текущий уровень загрязнения.

При картографировании загрязнения воздушной среды возникает необходимость быстрой обработки большого количества разнообразной информации. В зависимости от степени сложности применяемой при этом математической модели количество входных параметров может сильно варьироваться. Привлечение более точных моделей влечет за собой введение новых типов данных. Использование инструментов современных ГИС позволяют автоматизировать обработку необходимой исходной информации и получать результаты с высоким пространственно-временным разрешением.

В общем случае все исходные данные для картографирования загрязнения воздушного бассейна промышленного города можно разбить на три основных типа:

      ·    данные по структуре и объемам выбросов, типам и свойствам источников загрязнения, привязанных к карте;

      ·    данные по условиям распространения загрязнения, включающие метеорологические данные, граничные условия для метеорологических полей;

      ·    данные о рельефе и свойствах подстилающей поверхности, над которой происходит перенос загрязнения (шероховатость, альбедо и др.).

Весь процесс создания карт загрязнения с использованием ГИС-технологий можно разбить на несколько этапов (рис. 1).


Этапы создания карт антропогенного воздействия на окружающую среду

Рисунок 1. Этапы создания карт антропогенного воздействия на окружающую среду /3/.

Картографирования загрязнения вод суши

Загрязнение водных объектов, так же как и загрязнение атмосферы, сложный, многофакторный и весьма динамичный процесс. Экологическое состояние водоемов складывается в результате взаимодействия факторов самоочищения и техногенной нагрузки и определяется, главным образом, путем стационарных и экспедиционных исследований. Показатели экологического состояния водоемов включают значительное число гидрохимических и гидробиологических характеристик, таких, как содержание взвешенных веществ, плавающие примеси, запахи и привкусы, окраска, температура, рН, минерализация, растворенный кислород, биохимическое потребление кислорода, содержание бактерий, содержание токсичных веществ. Концентрации различных загрязняющих веществ, присутствующих в водной среде, характеризуются сложной временной динамикой и зависят от:

• интенсивности поступления в водоемы;

• скорости процессов самоочищения и осаждения;

• объема водной массы, характера и скорости ее движения.

Каждый из перечисленных факторов загрязнения относительно независим от других и обладает собственной динамикой. Загрязняющие вещества поступают в водоемы со сточными водами от промышленных и сельскохозяйственных предприятий, коммунально-бытовой сферы, с поверхностным стоком за счет смыва с загрязненных территорий, при осаждении из атмосферы, от вторичных химических процессов трансформации поллютантов, от естественных источников. Объемы сточных вод определяются ходом процессов их образования и накопления на предприятиях и в быту. Особенностью процессов загрязнения водных объектов является резкая изменчивость, связанная с возможностью залповых сбросов из емкостей-накопителей, как технологически обусловленных, так и аварийных. Смыв с загрязненных территорий также крайне неравномерен во времени и происходит при стоке дождевых и талых вод, а также во время паводков. Осаждение из атмосферы определяется присутствием в ней осаждающихся (вымывающихся) примесей и наличием соответствующих метеорологических условий. Интенсивность процессов самоочищения зависит от состояния экосистемы водоема, температуры воды и скорости течения. Объемы воды в водных объектах зависят от комплекса гидрологических факторов и характеризуются внутри- и межгодовой изменчивостью.

Поэтому уровни загрязнения водных объектов в разных регионах изменяются по сезонам неодинаково, в зависимости от гидрологического режима, а также характера загрязнения и его источников. Формирование сравнительно повышенных уровней загрязнения отмечается при относительно стабильном поступлении загрязнения и пониженном расходе воды, в условиях низкой летней или зимней межени; при массированном поступлении загрязнений (в том числе взвешенных частиц) с поверхностным стоком, во время весенних и дождевых паводков; при залповых сбросах, вне зависимости от состояния водоема. В последнем случае последствия определяются как масштабами сброса, так и интенсивностью самоочищения. Известно, что последствия аварийных сбросов многократно усугубляются, когда их воздействию подвергаются холодные воды умеренного пояса зимой либо арктического и субарктического поясов в любой сезон.

Нормирование загрязнения гидросферы базируется на гигиеническом принципе. Предельно допустимые концентрации устанавливаются, исходя из минимальных возможностей вредных воздействий. Но вредные воздействия на человека или ихтиофауну достаточно часто бывают связаны не только с техногенными, но и с природными причинами. Едва ли не в любом геохимическом ландшафте имеет место дефицит одних элементов и избыток других. С другой стороны, известно, что для водной среды ПДК тяжелых металлов установлены по валовым содержаниям, тогда как токсичны лишь свободные ионы. В результате по ряду веществ ПДК фактически установлены на уровне природного фона или даже ниже его, что искажает картину распределения уровней загрязнения и затрудняет использование интегральных показателей качества воды.

Важной частью картографирования загрязнения вод суши является картографирование самоочищения поверхностных вод. Картографирование самоочищения поверхностных вод может выполняться на качественном или количественном уровне исследования. Первое используется в мелко- и среднемасштабных, оценочных работах, выполняемых для больших территорий. Второе становится возможным при крупномасштабных исследованиях, посвященных анализу конкретных ситуаций, прогнозированию последствий возможных и реальных случаев загрязнения.

Качественное картографирование условий самоочищения подразделяет водные объекты на ряд категорий по параметрам, определяющим условия самоочищения: интенсивности перемешивания; температурам воды в летние месяцы; условиям разбавления загрязняющих веществ.

Интенсивность перемешивания воды в реках зависит от турбулентности потока, что, в свою очередь, контролируется характером рельефа и донных отложений. По этим условиям реки подразделяются на:

      ·    Равнинные

      ·    предгорные (низкогорные)

      ·    горные

Им соответствует слабая, средняя и сильная интенсивность перемешивания соответственно. По температурным характеристикам выделяется три категории рек со средними температурами в летнее время до 15°, 15-20°, выше 20°.

Сочетание характеристик перемешивания и температур позволяет выделить четыре категории условий самоочищения за счет трансформации загрязняющих веществ: благоприятные, относительно благоприятные, средние, неблагоприятные.

Условия разбавления загрязняющих веществ определяются по среднегодовым расходам воды; по этому показателю реки подразделяются на шесть категорий. По сочетанию условий трансформации поллютантов и разбавления выделяется шесть градаций интегральных условий самоочищения.

Для озер основной фактор перемешивания воды — ветровое волнение. По сочетанию этого показателя и средних температур за летние месяцы выделяются те же четыре градации условий трансформации поллютантов, что и для рек. В качестве показателя условий разбавления загрязняющих веществ для озер используется их объем (шесть градаций).

По сочетанию условий трансформации и разбавления поллютантов для озер выделяются те же шесть градаций интегральных условий самоочищения: очень хорошие, хорошие, относительно хорошие, средние, плохие, очень плохие. Градации, выделяемые по указанным признакам, относятся к довольно крупным регионам, что позволяет решать задачи мелкомасштабного картографирования.

Для передачи указанных характеристик самоочищения применяют линейные знаки (для рек) и ареалы (для водоемов), с использованием на многокрасочных картах «принципа светофора»: оттенков зеленого, желтого и красного цветов, сменяющих друг друга по мере ухудшения условий. На черно-белых картах используются штриховки, густота которых увеличивается по мере ухудшения условий.

Количественное картографирование самоочищения выполняется при крупномасштабных работах и базируется на прогнозе на основе известных зависимостей скоростей трансформации конкретных веществ от температуры среды.

При количественном картографировании предметом изображения являются не параметры самоочищения (их перевод из табличной формы в картографическую, с учетом температурных характеристик, возможен, но обычно нецелесообразен), а прогнозируемые результаты процессов самоочищения. Рассчитывается распространение веществ от мест их поступления в реку к определенным датам и ожидаемые концентрации по створам. Наиболее эффективным средством решения такой задачи является математическое моделирование потоков загрязнений с визуализацией результатов методом графической мультипликации в виде карт-фильмов. Использование такой методики наиболее целесообразно при определении последствий реальных или возможных аварийных залповых сбросов, когда можно пренебречь поступлением аналогичных поллютантов от диффузных источников.

Картографирование загрязнения почв. Задачи изучения загрязнения почв

Проблема загрязнения почв имеет широкое распространение, особенно в промышленно развитых странах. Загрязняющие вещества способны сохраняться в почвах многие годы и десятилетия, создавая непосредственную угрозу здоровью населения. Наличие остаточного загрязнения на месте старых промышленных зон, складов, свалок часто становится причиной конфликтных ситуаций при жилищном строительстве и рекреационном освоении территорий, при сделках с недвижимостью. Поэтому в настоящее время в нормативных документах по инженерно-экологическим изысканиям предусмотрено обязательное определение показателей загрязнения почв тяжелыми металлами, ввиду их индикационного значения. В случаях, когда их концентрации не превышают фоновых, исследования на предмет других видов загрязнения не проводят.

Загрязнение почв исследуется в двух аспектах - как самостоятельная экологическая проблема, и как индикатор общего экологического неблагополучия территорий.

Загрязнение почв как самостоятельная экологическая проблема изучается выборочно, где имеются основания ожидать высоких уровней содержания тех или иных специфических веществ, как правило, высоких классов опасности (радионуклидов, пестицидов, ПАУ и др.). Такие исследования обычно проводятся на ограниченных площадях, они отличаются высокой детальностью (масштабы от 1:10 000 до 1:500) и имеют целью удаление и захоронение выявленных скоплений веществ, представляющих непосредственную опасность. По окончании работ по очистке организуют повторные обследования в целях контроля. Исследования загрязнения почв, направленные на сравнительную оценку общего уровня экологического неблагополучия территорий (эколого-геохимические съемки), проводятся в крупных и средних масштабах (от 1:200 000 до 1:10 000) и охватывают территории городов и их частей, а в отдельных случаях целых регионов.

Методика эколого-геохимической съемки была разработана в России в 80-е годы XX в.. При этом была успешно использована приборная и нормативно-методическая база, ранее применявшаяся при геологических съемках и поисках месторождений рудных полезных ископаемых (лито-геохимические исследования). Наибольшее внимание при эколого-геохимических съемках обычно уделяется тяжелым металлам. Это обусловлено широким распространением и индикационным значением данного вида загрязнения, а также наличием хорошо отработанных и достаточно дешевых аналитических методов (преимущественно спектральных), позволяющих определять концентрации нескольких (до 30-40) элементов одновременно. Составными частями эколого-геохимических съемок являются:

      ·    отбор проб,

      ·    аналитическая обработка,

      ·    интерпретация

      ·    результатов и составление карт.

Отбор проб проводится с площадок размером 10 х 10 м, по «конверту», т.е. для осреднения по площадке каждая проба должна состоять из кусочков грунта, отобранных по углам и в центре. Опробованию обычно подлежит верхний десятисантиметровый слой; для районов распространения дерново-подзолистых почв — пятисантиметровый. При этом плотность опробования определяется масштабом работ и может составлять от 1 и менее до 50—100 проб на 1 км2. Выбор мест опробования определяется задачами исследования.

Аналитическая обработка выполняется с использованием одного из методов количественного химического анализа (спектральный, рентгеноспектральный, рентгеноспектральный флуоресцентный, атомно-адсорбционный и др.). При этом важнейшее условие достоверности результатов — это соблюдение комплекса метрологических требований, что предполагает выполнение анализов аккредитованными лабораториями, с использованием сертифицированного оборудования, аттестованных стандартных образцов и методик анализа. Для обеспечения достоверности ведется постоянный внутрилабораторный и внешний контроль результатов.

Интерпретация результатов проводится путем сравнения данных анализов с фоновыми концентрациями тех же элементов в аналогичных почвах и почво-грунтах ландшафтов-аналогов, расположенных заведомо вне зон техногенного воздействия. При этом определяют поэлементные показатели концентрации и суммарные показатели концентрации.

Комплексное экологическое картографирование

Задачей комплексного экологического картографирования является одновременное отображение географической среды (ландшафтов), в которой происходит взаимодействие и развиваются экологические отношения между природными и социально-экономическими системами; техногенных и антропогенных воздействий и реакций среды на них; экологического состояния элементов природной среды. При этом объектом картографирования может быть как современное, так и прошлое (в определенный момент времени) или будущее (в рамках принимаемых сценариев развития) состояние среды. Исключительная сложность комплексного экологического картографирования обусловлена, прежде всего, множественностью характеристик, которые требуется принимать во внимание. Практически задача комплексного экологического картографирования решается путем создания атласов и серий взаимосвязанных карт экологического содержания либо составлением отдельных комплексных карт, содержание которых включает в минимально допустимом объеме все перечисленные элементы. В атласах и сериях карт преобладающая часть объема приходится на карты, характеризующие состояние отдельных компонентов среды, что было рассмотрено в предыдущих разделах. Атласное картографирование обычно опирается на результаты комплексных исследований (нередко проводимых специально) и позволяет глубоко и всесторонне охарактеризовать экологическую обстановку на территории. Однако выводы из всесторонней характеристики, включающие сравнительные оценки и обычно вызывающие наибольший общественный и практический интерес, следует представлять на отдельной обобщающей карте. Поэтому особенности комплексного экологического картографирования наиболее полно раскрываются в создании комплексных экологических карт. В настоящее время выделяется три разновидности комплексных экологических карт:

      ·    инвентаризационные,

      ·    инвентаризационно-оценочные,

      ·    комплексные оценочные.

На инвентаризационных картах показываются элементы природной среды (природные зоны, ландшафтные районы, ландшафты) и характер их использования (сельское и лесное хозяйство и др.), а также источники техногенного воздействия на них — города, предприятия, транспортные магистрали, иногда с характеристикой объемов и структуры отходящих от них выбросов и сбросов. На инвентаризационно-оценочных картах добавляется (нередко за счет сокращения других элементов содержания) характеристика реакции среды на техногенные воздействия на нее. Оценки носят приближенный, качественный характер и основываются главным образом на биоиндикационных данных (состояние лесов, лугов и т.п.) или, реже, на материалах опробования геокомпонентов. На комплексных оценочных картах основным элементом содержания становятся оценки экологических ситуаций, которые могут характеризовать состояние как отдельных геокомпонентов, так и среды в целом. При этом под экологической ситуацией понимается сочетание различных, в том числе позитивных и негативных, с точки зрения проживания и состояния здоровья человека, условий и факторов, создающих определенную экологическую обстановку на территории, разной степени благополучия или неблагополучия.