Из материалов международной конференции " Интеркарто - 6 " ( г. Апатиты, 22-24 августа 2000 г.).

Новаковский Б.А., Прасолова А.И., Прасолов С.В.
Московский государственный университета им. М.В. Ломоносова,
географический факультет

Abstract. There are substantiated the possibilities of using geoinformation technologies for the ecological evaluation of different nature compounds to provide sustainable development of territorues. The technology of computer-aided mapping, directed to solution of ecology-geographical tasks and based on the combination of specialized programs, is presented. Several ways of calculation of summer indexes of evaluation of nature compounds conditions are described. The capabilities of using of morphometric maps for receiving of ecological information are proposed. The technique of complex computer mapping of evaluation of ecological situation is offered.

Экологические проблемы становятся приоритетными для обеспечения устойчивого развития территорий, что определяет самостоятельность и все более усиливающуюся роль эколого-географического направления в науках о природе и обществе. Эколого-географическое картографирование переживает период бурного развития. Именно поэтому разработка приемов информационного, в том числе и картографического, обеспечения принятия решений в области рационального природопользования сейчас наиболее актуальна. Решение этой задачи позволит значительно облегчить проведение различных мероприятий по стабилизации и оптимизации экологической ситуации на различном уровне.

Картографическое обеспечение эколого-географических исследований состоит в проведении комплексного картографирования, которое может осуществляться в трех основных видах: это отдельные комплексные эколого-географические карты, серии взаимосвязанных карт эколого-географического содержания и эколого-географические атласы. Наиболее предпочтителен, по нашему мнению, второй вариант, оптимальный с точки зрения подробности исследования, время- и трудозатрат и простоты восприятия получаемой информации.

Несмотря на большое количество научных трудов по проблеме эколого-географического картографирования, до сих пор остаются не разработанными многие вопросы, касающиеся именно суммарной оценки экологических ситуаций. В последние десятилетия во многих научно-исследовательских учреждениях ведется разработка методик интегрального картографирования для оценки экологического состояния территорий различного уровня. Хорошо освещено в литературе влияние конкретных типов производств на различные депонирующие (аккумулирующие) среды. Однако нет общепринятой методики (хотя бы для определенного масштабного уровня). Поэтому разработка средств анализа и интерпретации картографо-экологических материалов на основе современных геоинформационных технологий выдвигается в число приоритетных направлений этой области научного знания.

При создании методик расчета интегральных показателей оценки состояния различных компонентов природной среды необходимо учитывать природно-ресурсный потенциал территории, виды и интенсивность его современного использования; размещение по территории объектов хозяйственной и иной деятельности, влияющих на природную среду и человека; оценку ущерба природной среде и здоровью населения, наносимого различными видами хозяйственной деятельности; факторы, лимитирующие дальнейшее развитие конкретных видов хозяйственной деятельности, определяемые существующими нормативами по показателям качества природной среды и здоровья населения; эколого-экономические приоритеты, определяющие дальнейшее социально-экономическое развитие области; систему рекомендаций, направленных на стабилизацию и улучшение экологической обстановки в местах размещения объектов хозяйственной и иной деятельности (Экология России, 1997).

Кроме того, необходимо, чтобы такие показатели базировались на параметрах, доступных для определения простым пользователем, т.е. чтобы они содержали общепринятые понятия и критерии. Важно, чтобы рассчитываемые синтетические показатели легко поддавались возможности картографирования, в том числе и на основе геоинформационных технологий.

При построении интегральных компьютерных эколого-географических карт, в свою очередь, необходимо учитывать: цели, назначение и характер использования карт, иерархический уровень и тематику запросов потребителей; специфику решаемых задач экологического содержания, их сложность, комплексность, научную или прикладную направленность и практическую значимость; вид и характер источников исходной информации, включая общегеографические и тематические карты, аэрокосмические материалы, данные стационарных, маршрутных, площадных наземных наблюдений, сетей экологического мониторинга и кадастра.

Важное значение имеют пространственные и временные рамки картографирования, охват региональных или локальных явлений и процессов, их рассмотрение в одном временном срезе или во временной динамике; уровни агрегирования информации, диктующие использование на картах определенных видов и наборов показателей. Существенно, чтобы составленные карты наглядно отображали исследуемую проблему, т.е. экологическое состояние различных компонентов природной среды; отдельные способы картографического отображения отражали бы конкретные критерии; структура способов картографического отображения была проста и логична.

Выше перечисленные требования определяют целый ряд проблем, возникающих перед исследователем. Прежде всего это необходимость ввода и обработки огромного массива данных; сопряжения разноплановой и разнокачественной информации об объектах и явлениях природы и общества; необходимость создания большого количества промежуточных результатов в виде как картографической продукции, так и текстов, графиков, диаграмм и т.д. Немаловажное значение имеет требование актуальности составляемых карт, т.е. проведения оперативного картографирования.

Использование геоинформационных технологий позволяет устранить указанные трудности: при таком подходе можно оперативно осуществлять составление и обновление интегральных эколого-географических карт, формировать эколого-географические модели применительно к решению разнообразных прикладных задач.

В настоящее время существует множество программных продуктов, созданных специально для картографического обеспечения географических исследований, в том числе и экологической направленности. Но ни одно из этих средств не может полностью обеспечить комплексные исследования оперативной информацией, в связи с чем возникает необходимость сочетания различных программных продуктов, каждый из которых строго выполняет свои функции и отвечает за конкретный блок получения или интерпретации данных.

Так, для ввода картографической и тематической информации целесообразно использовать специализированные картографические редакторы, обладающие возможностями цифрования с помощью как векторных (дигитайзеров), так и растровых (сканеров) устройств. Необходимо выбрать программное средство в качестве ядра системы картографического обеспечения эколого-географических исследований, где вся информация будет редактироваться, храниться и выдаваться по специализированным запросам; такие средства в настоящее время достаточно широко представлены целым рядом коммерческих программ (MapInfo, ArcInfo, TNTmips, Geograph и др.).

Для обработки экологической информации нужно использовать специализированные средства по осуществлению операций математико-картографического моделирования: программы создания цифровых моделей рельефа (Mag, Surfer), средства управления базами данных (dBase IV фирмы Ashton, «КАРАТ», Oracle), статистические пакеты (SPSS, SAS, Statistica). А для качественного оформления и вывода готовой картографической продукции лучше использовать мощные средства иллюстративной графики (например, Adobe Illustrator, Corel Draw, Macromedia Freehand). Такое сочетание проблемно-ориентированных программ и программных средств общего назначения позволяет создавать самые разнообразные картографические произведения эколого-географической тематики: карт, согласованных серий карт, атласов или специализированных геоинформационных систем.

В соответствии с поставленными задачами нами разработана технология компьютерного картографирования, основанная на принципе сочетания возможностей различных программных средств для ввода, редактирования, анализа, обработки и использования эколого-географической информации. Технология включает картографические редакторы (Digitmap), ГИС-пакеты (MapInfo), программы для создания цифровых моделей рельефа (Mag, Surfer), а также средства иллюстративной графики (Adobe Illustrator, Macromedia Freehand). В целях устранения проблем совместимости форматов обмена файлов были написаны специальные программы перехода конвекторы. На основе этой технологии разрабатываются методики интегрального картографирования оценки состояния различных компонентов природной среды.

Существует несколько общепринятых методик расчета интегральных показателей загрязнения различных компонентов природной среды. Например, суммарный показатель загрязнения, представляющий собой аддитивную сумму превышений коэффициентов концентраций над единичным (фоновым) уровнем. Или более простой способ сводной оценки уровня загрязнения территории, заключающийся в определении кумулятивного эффекта.

Суммарные карты, построенные на основе таких показателей, достаточно информативны для выявления основных зон техногенного загрязнения. Однако здесь воздействие всех загрязнителей принимается как равное, что ведет лишь к осредненной характеристике геохимических аномалий. Можно предложить способ, основанный на определении кумулятивного эффекта загрязнения с добавлением учета значимости каждого показателя, составляющего этот эффект. Реализация предполагаемого способа состоит из нескольких этапов. Первый этап методики заключается в определении граничных условий, а точнее, в выделении типов воздействия (загрязнения) каждого химического элемента в отдельности.

Второй - в классификации изучаемой территории в зависимости от сочетания на ней типов воздействия, выделенных на первом этапе, по всем составляющим анализа, то есть на данном этапе без вычисления и изучения суммарного значения загрязнения проводится классификация территории с учетом требований поставленной задачи и особенностей каждого отдельного химического элемента. Третий этап направлен на распределение всех точек отбора проб по выделенным классам. Для упрощения такого рода работы целесообразно построить блок-диаграммы для каждой точки, на которой будут отображены как значения по отдельным химическим элементам, так и суммарные значения.

На заключительном четвертом этапе определяются оптимальные граничные условия для каждого класса территории. Проводится сопоставление между числовым значением суммы концентраций всех элементов в каждой точке отбора проб с определенным в ней классом территории. На основе этого сопоставления определяются числовые значения суммарных показателей для каждого класса территории, по которым проводится построение карт суммарного геохимического загрязнения.

Можно предложить другой путь. Для определения суммарного геохимического загрязнения необходимо учитывать геохимические особенности миграций загрязнителей, т.е. определять степень опасности каждого элемента для природной среды. Эта степень охарактеризована классом опасности элемента, который устанавливается при соответствии не менее, чем трем показателям из шести: токсичность, устойчивость в почвах, устойчивость в растениях, ПДК в почвах, влияние на пищевую ценность сельскохозяйственной продукции, миграция.

На основе суммарного показателя загрязнения (СПК) и с учетом класса опасности каждого рассмотренного элемента можно построить карту оценки степени опасности ассоциаций химических элементов для природной среды. Очевидно, что нельзя рассматривать влияние элементов разного класса опасности как одинаковое, поэтому в формулу расчета суммарного показателя концентрации вводится весовая функция, то есть каждому классу придается определенный коэффициент: за единицу можно принять влияние элементов первого класса опасности, элементам второго класса придать коэффициент, равный половине степени влияния первого, то есть 0.5. Для третьего класса выбрать коэффициент 0.25. Следует отметить, что выбор коэффициентов экспертный и не претендует на абсолютность, однако при их определении мы исходили из логики проведения оценки степени опасности.

Таким образом, суммарный показатель оценки степени опасности представляет собой сумму превышений всех элементов с учетом весовой функции. Показатель нормирован, то есть приведен к единице, фоновому участку такому участку, где концентрации всех элементов равны фоновым. Оценка степени опасности можно проводить по классификациям, основанным на превышении суммарного показателя концентраций допустимого уровня. В качестве иллюстрации предложенной методики приводится карта степени опасности ассоциаций химических элементов, аккумулированных в почвенном покрове, составленная на территорию Воскресенского района Московской области (рис. 1).

Еще один способ оценки интегрального загрязнения различных компонентов природной среды состоит в применении компьютерного картографического моделирования для изучения экологического состояния современных ландшафтов, выделенных на основе информации как о природной, так и о техногенной составляющей. Суть способа состоит в построении синтетических карт, совмещающих контурную сетку ландшафтов и оценку их эколого-ресурсного потенциала, с одной стороны, и поверхности суммарного загрязнения каждого аккумулирующего компонента ландшафта (почвенного, снегового покровов, растительности, поверхностных вод и т.д.), с другой. Здесь особенно остро стоит проблема выявления взаимозависимости и взаимовлияния загрязнения компонентов между собой.

Многие территории, а особенно с высокой степенью антропогенной нагрузки, характеризуются неоднородностью состава большинства зон загрязнения, кроме того, в большинстве случаев не удается выявить даже ведущий поллютант (многие слагающие равны по силе воздействия). Суммарное загрязнение не может быть определено простой суммой индивидуальных загрязняющих веществ, так как различные элементы характеризуются способностью вступать в химические реакции и образовывать другие соединения, которые могут быть как опаснее, так и безобиднее первоначальных; причем подобное взаимовлияние химических элементов друг на друга зависит от большого числа самых разных условий.

Поэтому можно предложить метод картографического анализа взаимовлияния отдельных загрязнителей друг на друга, основывающийся на использовании современных средств геоинформатики и заключающийся в матричном сопоставлении поверхностей двух и более загрязнителей и выявлении характера их корреляции (или ее отсутствия). Здесь нужно отметить, что в качестве «элемента» можно рассматривать и поверхности суммарного загрязнения отдельного компонента природной среды, таким образом можно выявить взаимовлияние загрязнения снегового и почвенного покровов, поверхностных и подземных вод.

Рис. 1. Карта степени опасности ассоциаций химических элементов, аккумулированных в почвенном покрове

Приведенные выше примеры иллюстрируют возможности оценки экологического состояния компонентов природной среды путем создания отдельных карт. Но, на наш взгляд, только согласованная серия интегральных карт может наиболее полно, информативно и наглядно решить эту проблему. Такая серия должна включать карты, иллюстрирующие особенности антропогенной нагрузки, состояние атмосферного воздуха, почвенного, снегового покровов, поверхностных и грунтовых вод, растительности. Кроме того, серия может быть дополнена информацией экологического характера, полученной на основе морфометрического анализа рельефа и современных геоинформационных технологий.

Условия миграции загрязнителей в различных депонирующих средах определяются особенностями рельефа местности. В экологической системе, охватывающей все объекты и явления природной и антропогенной среды и их взаимодействия, рельеф выполняет важные функции, обеспечивая определенный тип функционирования и состояния экосистем. Перемещение вещества и энергии внутри экосистем контролируется именно рельефом, что ставит его на ведущее место среди всех экологических факторов. В каждом конкретном случае легко увидеть, что потоки вещества и энергии пространственно совмещены и неразделимы, однако часто полезно выявить значение каждого из них.

Любая поверхность, в том числе и загрязнение, может быть представлена в качестве «рельефа» - абстрактного геополя; именно поэтому создание и использование цифровых моделей «рельефа» и производных его карт все чаще вовлекается в процесс комплексного картографирования территорий. Анализ геополей может существенно облегчить исследование структуры, взаимосвязей и динамики различных природных, социально-экономических и экологических явлений. Особенно полезно сравнительное изучение нескольких геополей, например, поля загрязнения почвенного покрова и рельефа земной поверхности, демонстрирующего очаги накопления и миграцию загрязнителей по территории.

Возможности использования производных карт рельефа чрезвычайно широки. Течение большинства эколого-геохимических процессов зависит от поступления в каждую точку территории влаги и солнечного тепла. Распределение тепла и влаги, в свою очередь, определяется экспозицией склонов. При построении карты углов наклона и экспозиции склонов получается синтетическая карта, характеризующая распределение тепла и влаги по территории. Соединение карты углов наклона склонов с картой расстояний до водотоков по определенным законам дает возможность определить время добегания и построить соответствующую карту.

С точки зрения обеспечения устойчивого развития территорий большой интерес представляет карта типов морфоэлементов рельефа, наглядно демонстрирующая пути миграции вещества, ареалы его возможного накопления и смыва, что особенно важно для анализа направлений распространения загрязнения и прогноза его развития. Совмещение карты рельефа в изолиниях с градиентной шкалой и аналитической отмывки позволяет специалисту в интерактивном режиме проводить районирование территории и выделять отдельные формы рельефа, например, особенно подверженные аккумуляции загрязняющих веществ.

Для оценки антропогенной нагрузки источники загрязнения классифицируются по типу воздействия (механическое, физическое, химическое и дробнее), по тому, на какие компоненты этот источник оказывает воздействие, а также по интенсивности воздействия; на основе карты использования земель можно составить карту структуры антропогенной нагрузки, где были бы отражены типы землепользования, типы источников загрязнения, показана концентрация и набор загрязняющих веществ, поступающих от конкретных источников в различные компоненты природной среды.

При составлении интегральных карт по каждому компоненту очень удобно использовать моноэлементные карты, характеризующие распределение различных загрязнителей. Таким образом, используя аппарат математико-картографического моделирования, можно выявить предварительные ареалы загрязнения. На следующем этапе встает вопрос о выборе или создании методик расчета синтетических показателей загрязнения для каждого компонента природной среды. Можно опираться на такие хорошо изученные и репрезентативные показатели, как ИЗА (индекс загрязнения атмосферы), ИЗВ (индекс загрязнения вод), выше уже упомянутые СПК, кумулятивный эффект и т.д.

В зависимости от сложности поставленных задач и особенностей территории возникают проблемы разработки отдельных специализированных методик. Например, для отображения суммарного загрязнения почвенного покрова можно выявить и оценить опасность почвенно-геохимических аномалий, образующихся в результате промышленного загрязнения почв тяжелыми металлами (различных классов опасности), нефтепродуктами, агрохимического загрязнения пестицидами и удобрениями, а также в результате деградационных почвенных процессов (эрозия, дегумификация и т.д.).

Так, на карте структуры загрязнения поверхностных вод, составленной для территории Воскресенского района Московской области, показаны классы загрязнения водоемов и водотоков (по ИЗВ), структура ассоциаций гидрохимических аномалий: основные виды загрязняющих веществ, их вклад в общее загрязнение, уровень загрязнения - по превышению предельно допустимых концентраций (ПДК), а также максимальные разовые превышения ПДК, наблюдаемые на гидрохимических постах. Такой комплексный показатель, на наш взгляд, позволяет достаточно полно количественно и качественно охарактеризовать состояние поверхностных вод.

Интегральные карты структуры загрязнения позволяют оценить состояние каждого компонента природной среды, т.е. отвечают на вопрос «где?», но ни один из компонентов не существует изолированно от других и человека. Именно поэтому необходим процесс тщательного согласования составленных карт между собой с учетом особенностей антропогенной нагрузки на территорию. Выявление причинно-следственных связей между загрязнением различных компонентов природной среды, а также структурой антропогенной нагрузки на территорию отвечает на вопрос «почему?».

Так, для полной оценки загрязнения почвенного покрова необходимо на основе карты структуры загрязнения почвенного покрова провести анализ поступления загрязняющих веществ непосредственно от конкретных источников (карта структуры антропогенной нагрузки), поступления химических элементов и соединений из атмосферы в виде дождя и снега (карты загрязнения атмосферного воздуха и снегового покрова), «впитывания» ингредиентов с водами (поверхностными и грунтовыми), а также поглощения почвенных загрязнителей растительностью. Аналогично должен быть проведен анализ и для других компонентов природы. Тогда результатом комплексного картографирования является серия согласованных карт загрязнения основных компонентов природной среды, обладающая, на наш взгляд, возможностью решения проблемы картографического обеспечения при проведении эколого-географических оценок.

Следует отметить, что рассмотренные нами картографические модели, созданные на основе современных геоинформационных технологий, хотя и не исчерпывают всего многообразия средств и методов оценки экологического состояния природной среды, но значительно облегчают работу по планированию природоохранных мероприятий и, что самое важное, по принятию решений в области экологической политики. Этому также существенным образом будет способствовать публикация результатов исследований в независимых изданиях, включая и размещение информации в сети Internet.

Литература

1. Экология России: Итоги науки и практики. Вып. 2. / Чистов С.В., Флоринский И.В. Экологическая картография. - М.: РЭФИА, 1997. - 134 с.