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

Постнова И.С.
Институт водных и экологических проблем
Сибирского отделения Российской Академии наук
e-mail: postnova@iwep.secna.ru

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:

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

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

Ї 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).

На первом этапе подготавливается картографическая основа. Она представляет собой набор тематических слоев, которые, во-первых, содержат исходную информацию для моделирования (расположение источников загрязнения, рельеф, ландшафт ), во-вторых, отражают информацию, необходимую для анализа результатов и получения окончательной карты загрязнения. На этом этапе определяются размеры области, соответствующие поставленной задаче. Подготавливается база данных по источникам загрязнения. Производится привязка данных к карте.

Второй этап включает в себя непосредственную подготовку к моделированию. Поскольку данные о метеорологических полях, рельефе и свойствах подстилающей поверхности представляют собой неоднородные по пространству величины, для численного моделирования загрязнения, которое проводится, как правило, на некоторой регулярной сетке, непрерывные по пространству данные такого типа приводятся к дискретному виду. Для этого необходимая информация представляется в виде грид - тем (grid), которые получают в результате обработки исходных векторных слоев. На этом этапе подготовки данных привлекаются современные инструменты ГИС, позволяющие автоматизировать процессы трансформации и генерализации первоначальной информации на карте.

Третий, завершающий этап, включает в себя проведение расчетов по модели. Рассчитанные поля концентрации загрязняющих веществ представляются в виде гридов. На этом этапе производится окончательная обработка результатов и получение карт оценки или прогноза загрязнения.

Рис. 1. Этапы создания карт антропогенного воздействия на окружающую среду

При моделировании загрязнения воздушной среды промышленного центра выделяют три типа источников воздействия: промышленные предприятия, автомобильный транспорт и частный сектор [1]. В данной статье, на примере г. Барнаула, описан процесс картографирования загрязнения воздушного бассейна промышленными выбросами, вносящими наибольший вклад в загрязнение городского воздуха. Выбросы от промышленных предприятий рассматриваются как совокупность точечных источников, каждый из которых имеет свои характеристики по структуре и объемам выбросов. Выбранная математическая модель, вычисляющая распространение загрязняющих веществ в атмосфере, основана на использовании уравнения переноса. Модель учитывает особенности подстилающей поверхности, выраженные параметром шероховатости z0.

На начальной стадии подготовки к работе в наличии имелось два топографических планшета масштаба 1 : 100 000, покрывающие город Барнаул и пригородную зону. Для оценки степени загрязнения воздушного бассейна в общем случае необходимо было получить следующие тематические слои:

1) реки и водоемы (область) - тема, включающая в себя полигональные водные объекты;
2) реки (линия) - линейная тема, где линейные объекты в масштабах исследуемой территории представляют собой мелкие реки, ручьи и каналы;
3) зеленая зона - полигональная тема, включающая в себя в виде объектов сады, леса, парки;
4) болота - достаточно репрезентативная полигональная тема для окрестностей г. Барнаула, по окраине которого протекает р. Обь со множествами проток;
5) горизонтали высот - полилинии, отображающие информацию о рельефе;
6) городские кварталы полигональная тема, представляющая собой либо жилые, либо промышленные кварталы города;
7) отдельные строения - множество мелких полигонов, описывающих поселки, дачи и другие неплотные застройки;
8) дороги - линейная тема, объекты которой являются либо железными дорогами, либо автомобильными дорогами различной категории имеющими различные типы дорожного покрытия.

В результате оцифровки и последующей трансформации координат был получен базовый набор тематических слоев в географических координатах на область (квадрат со стороной 30 км), покрывающую город и его окрестности (рис. 2).

В качестве исходной информации по источникам загрязнения была взята база данных, включающая в себя 138 предприятий г. Барнаула. По каждому источнику загрязнения имелась информация о диаметре и высоте трубы, объемах, скорости, температуре и химическом составе выбросов. После привязки базы к используемой карте было получено дополнительное точечное покрытие, объекты которого соответствовали месторасположению промышленных труб.

В качестве другого типа исходных параметров для расчетов по модели необходимо было получить распределение значений параметра шероховатости z0. Значение параметра z0 зависит от средней высоты объектов, расположенных на поверхности земли (например, для водных объектов z0 приблизительно равен 0.001 м, лиственного леса - 0.5 м, промышленной зоны города - 2.0 м и т.д.). Имеющиеся в распоряжении полигональные слои рек и озер, болот, зеленой зоны, городских кварталов и отдельных строений, позволили достаточно полно в масштабах исследуемой территории задать значение z0. Для расчетов загрязнения рассматриваемая область была покрыта регулярной сеткой с выбранным шагом по х и у. Поэтому для определения значения шероховатости в терминах ГИС, нужно было построить грид-тему с размером ячейки, совпадающим с размерами ячейки расчетной сетки. Эта задача была решена с привлечением модуля ArcView Spatial Analyst. Каждый из выбранных тематических слоев был преобразован в грид-темы с размером ячейки, существенно меньшим необходимого (100x100 м).

Рис. 2. Базовый набор покрытий





























Рис. 3. Грид шероховатости





























После объединения полученных гридов в грид «принадлежности территории» для корректного приведения к более крупному размеру ячейки была применена процедура блоковой статистики (BlockStats). В ходе её работы вся исходная область была разбита на блоки нужной величины (в данном случае близкой к размеру расчетной ячейки), и всем ячейкам, расположенным в блоке, присвоено значение по большинству попадающих в блок ячеек исходного грида. Окончательный грид был сформирован в результате ресэмплинга (Resample) к нужному для расчетов размеру ячеек (300x300 м). Таким образом, в процессе получения грида шероховатости (рис. 3) была проведена генерализация покрытия.

После задания метеорологических параметров (величины скорости и направления ветра, класс атмосферной устойчивости по Пасквиллу) и подключения вышеописанных входных данных были получены поля концентрации загрязняющих веществ в узлах регулярной сетки. Для оценки суммарного загрязнения воздуха исследуемой территории был использован комплексный индекс загрязнения атмосферы (КИЗА). Более удобным для визуального анализа оказалось представление поля КИЗА в виде изолиний, полученных по соответствующей грид-теме. Окончательная карта оценки загрязнения промышленного города, вносимого промышленными предприятиями, включила введенные ранее покрытия застройки, речной сети и изолинии загрязнения (рис. 4).

Рис. 4. Карта оценки загрязнения г. Барнаула, вносимого промышленными предприятиями (ветер ЮЗ, 3 м/с, устойчивая атмосфера, загрязнители - сернистый ангидрид, пыль)

Предложенная технология картографирования показала свою практическую эффективность и может быть использована при решении различных задач оценки антропогенных воздействий на окружающую среду.

Литература

1. Воробьев К.В., Мироненко В.Ф., Широкова С.Л., Яковченко С.Г., Постнова И.С. Применение ГИС-технологий для оценки загрязненности атмосферы промышленного центра // Материалы Международной конференции «ГИС для устойчивого развития территорий», июнь 1999 г. - Ч. 3. - Якутск, 1999. - С. 154-161