CC BY
27
УДК 504.064
КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИРОДНЫЕ ОБЪЕКТЫ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО РЕГИОНА С ПРИМЕНЕНИЕМ ДАННЫХ НАЗЕМНОГО И ДИСТАНЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕРРИТОРИЙ
Виктория Петровна Днепровская
Институт химии нефти СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 4, младший научный сотрудник лаборатории «Научно-исследовательский информационный центр с музеем нефтей», тел. (382)249-22-27, e-mail: vpi@ipc.tsc.ru
Ирина Германовна Ященко
Институт химии нефти СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 4, кандидат геолого-минералогических наук, зав. лабораторией «Научно-исследовательский информационный центр с музеем нефтей», тел. (382)249-18-11, e-mail: sric@ipc.tsc.ru
Татьяна Олеговна Перемитина
Институт химии нефти СО РАН, 634055, Россия, г. Томск, пр. Академический, 4, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории «Научно-исследовательский информационный центр с музеем нефтей», тел. (382)249-22-27, е-mail: pto@ipc.tsc.ru
Предложена методика комплексной оценки совокупного воздействия природных и техногенных факторов на состояние окружающей среды с использованием наземных и спутниковых данных. Анализ болотных вод методом ИК-спектрометрии позволил определить уровень регионального фонового содержания углеводородов в объектах, удаленных на разное расстояние от источников антропогенного воздействия. Обработка спутниковых данных с применением ГИС-технологий позволила рассчитать значения вегетационного индекса NDVI и количественно охарактеризовать отклик растительных сообществ на внешние воздействия растительного покрова исследуемых территорий, а также изучить их динамику за 2013-2016 гг.
Ключевые слова: окружающая среда, космические снимки, геоинформационные системы, месторождения нефти, вегетационный индекс, содержание углеводородов, влияние пожаров.
NATURAL OBJECTS OF WEST-SIBERIAN REGION: COMPREHENSIVE RESEARCH OF ANTHROPOGENIC IMPACT BY TERRESTRIAL MONITORING AND REMOTE SENSING
Victoria P. Dneprovskaya
Institute of Petroleum Chemistry SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 4 Academichesky Prospect, junior researcher, laboratory "Research Information Centre and Petroleum Museum", tel. (382)249-22-27, е-mail: pto@ipc.tsc.ru
Irina G. Yashchenko
Institute of Petroleum Chemistry SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 4 Academichesky Prospect, Ph. D., head of Laboratory "Research Information Centre and Petroleum Museum", tel. (382)249-22-27, е-mail: pto@ipc.tsc.ru
Tatiana O. Peremitina
Institute of Petroleum Chemistry SB RAS, 634055, Russia, Tomsk, 4 Academichesky Prospect, Ph. D., researcher Laboratory "Research Information Centre and Petroleum Museum", tel. (382)249-22-27, e-mail: pto@ipc.tsc.ru.
A technique for a comprehensive assessment of the combined effect of natural and man-made factors on the state of the environment using terrestrial and satellite data is proposed. The analysis of bog waters by the IR spectrometry method allowed to determine the level of regional background content of hydrocarbons in objects remote from different sources of anthropogenic impact. The processing of satellite data using GIS technology allowed calculating the values of the vegetative index NDVI and quantitatively characterizing the response of plant communities to the external effects of vegetation cover in the study areas, and also to study their dynamics for 2013-2016.
Key words: environment, satellite images, geoinformation systems, oil field, vegetation index, Hydrocarbon content, impact of fires.
Уникальное по размерам и составу природных комплексов Большое Ва-сюганское болото, расположенное на севере Новосибирской и на юге Томской, а также на северо-востоке Омской областей, занимает большую часть главного Обь-Иртышского водораздела, а по площади является самым крупным болотом в мире, образуя гигантскую болотную систему северного полушария планеты. Все более возрастающее хозяйственное освоение природных ресурсов Васюга-нья сопровождается нарушением естественных ландшафтов и ухудшением условий среды [1].
На Васюганское болото оказывает влияние целый набор отрицательных факторов - уничтожение древостоев (рубки), воздействие гусеничного транспорта, разливы нефти, горюче-смазочных материалов, буровых растворов, минерализованных подземных вод, загрязнение стройматериалами, бытовым мусором, металлоломом. Интенсивно развиваются процессы термокарста, термоэрозии, водной эрозии, поскольку нарушенный растительный покров болот восстанавливается довольно медленно. В настоящее время эти виды природного и техногенного негативного воздействия рассматриваются как основные факторы нарушения ландшафтных комплексов Васюганья [1, 2]. В связи с тем, что речная сеть и болотные массивы имеют большое экологическое и хозяйственное значение, выполняя водорегулирующую функцию в ландшафтной системе, проведение комплексной оценки экологического состояния нефтедобывающих территорий Западной Сибири в настоящее время является одной из актуальных задач.
На сегодняшний момент существуют различные методики, обеспечивающие мониторинг экологического состояния нефтедобывающих территорий, которые различаются физическими принципами действия и чувствительностью.
Согласно данным [3], лесные земли и болота Томской области составляют 68,2 и 32 % ее площади, соответственно, что характеризует территорию области как труднодоступную, со слабой заселенностью и неразвитой инфраструктурой.
В связи с перечисленными особенностями исследуемой территории для получения оперативной оценки состояния растительного покрова нефтедобы-
вающих территорий недостаточно применения только наземных данных о состоянии биосферы. Наиболее эффективными по охвату территории, регулярности и оперативности мониторинга состояния окружающей среды являются методики, основанные на применении данных дистанционного зондирования Земли.
В настоящее время при изучении отклика растительности на различные воздействия все более широкое применение получают данные дистанционного зондирования Земли. В таких исследованиях на космических снимках анализируются изменения вегетационных индексов - показателей, представляющих собой комбинацию из различных спектральных каналов излучения, отраженного от изучаемого объекта [4].
Самый распространенный и наиболее часто используемый вегетационный индекс - NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) - нормализованный разностный вегетационный индекс [3]. Эмпирически установлено, что NDVI имеет связь с различными характеристиками растительности на исследуемой территории - прослеживается согласованность в изменении NDVI и величины зеленой растительной биомассы. Поэтому данный индекс можно использовать для регионального картографирования и анализа различных типов ландшафтов, изучения динамики растительных сообществ. Современные системы дистанционного зондирования позволяют получать непрерывные временные ряды NDVI со всеми возможностями их статистического анализа. Рассчитанные значения NDVI позволяют количественно охарактеризовать отклик растительных сообществ на внешние воздействия, изучить их многолетнюю динамику [4].
В данной работе значения вегетационного индекса растительного покрова NDVI рассчитаны средствами геоинформационной системы ArcGis 10.2.2 по космическим снимкам LANDSAT 8 за многолетний период 2013-2016 гг. с датами съемки 01.06.2013 - 31.08.2016 гг. LANDSAT 8 - американский спутник наблюдения за поверхностью Земли, запущенный в феврале 2013 г. и имеющий разрешение 30 м. Целью спутника LANDSAT 8 является предоставление доступа к данным широкой общественности - они доступны для бесплатного скачивания. LANDSAT 8 снимает примерно 700 сцен в день, с повторным покрытием Земли каждые 16 дней [5].
Для получения наземных данных был проведен анализ проб воды исследуемой территории. Отбор проб воды осуществляли в июне-августе 2016 г., пункты пробоотбора приведены на рис. 1, в этих же точках были произведены расчеты вегетационных индексов растительного покрова (NDVI) с применением космических снимков и геоинформационной системы ArcGis 10.2.2.
Определение массовой концентрации углеводородов (УВ), как природного, так и техногенного происхождения, в болотных водах проводили на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 5700 (разрешение 4 см-1, число сканов пробы - 64) в диапазоне 3100...2700 см-1, в кюветах из NaCl c толщиной поглощающего слоя 10 мм. Экстракцию УВ из воды осуществляли четыреххлористым углеродом по методике [6].
Рис. 1. Пункты отбора проб воды
Болота Бакчарское, Центральное, Тисанское, Самара, р. Ключ, а также участок, прилегающий к месторождению Малоичское-фон, достаточно удалены от зон антропогенного воздействия и отличаются слабым развитием транспортной инфраструктуры, тогда как остальные образцы отобраны на участках, в различной степени испытывающих воздействия природных и техногенных факторов.
Результаты определения массовой концентрации УВ в воде показали, что в основном воды природного генезиса по классификации А.С. Шайна [7] соответствуют категории качества воды «чистая» (0.3-1 ПДК).
Воды Центрального болота (концентрация УВ составляет 0.33 ± 0.09 мг/дм3) и болота у д. Высокий Яр (концентрация УВ составляет 0.34 ± 0.09 мг/дм3), которое находится в зоне влияния нефтегазодобывающего сектора Томской области и возможного аэрозольного загрязнения, характеризуются как «умеренно загрязненные» (1-3 ПДК). Вода, отобранная на Иксинском болоте, относится к «загрязненной» (3-10 ПДК), концентрация УВ составляет 2.23 ± 0.54 мг/дм3. Следует отметить, что на этом болоте с 1998 г. по настоящее время регулярно возникают возгорания и пожары различного масштаба и происхождения. Вода, отобранная на территории нефтяного разлива на месторождении Малоичское, отличается максимальной концентрацией УВ и соответствует категории «грязная» (10-100 ПДК), концентрация УВ составляет 36.20 ± 3.62 мг/дм3, что объясняется прорывом трубопровода и загрязнением близлежащих территорий в конце 2013 г.
Сопоставление результатов расчета индекса NDVI по спутниковым данным и анализ содержания УВ в отобранных пробах воды позволило определить
максимальные флуктуации значений расчетов в пунктах 2 - Иксинское болото (№У1 от 0.316 до 0.618) и 7 - Малоичское (№У1 от 0.481 до 0.681). В связи с этим, проведен анализ изменения значений индекса МОУ1 за все время наблюдений для пунктов 2 - Иксинское болото (рис. 2, а), 7 - Малоичское и 8 -Малоичское-фон (рис. 2, б).
Рис. 2. Значения индекса МОУ1 в пунктах отбора проб воды Иксинское, Бакчарское и Малоичское за 2013-2016 гг.
Рис. 2, а показывает, как изменяется значения индекса МОУ1 на Иксинском болоте, на котором регулярно возникают пожары, в сравнении с Бакчарским болотом, которое не подвержено антропогенному воздействию.
Из рис. 2, б следует, что значения индекса МОУ! для пунктов 7 - Малоичское, 8 - Малоичское-фон в 2013 г. до загрязнения нефтепродуктами лежат в интервале 0.67-0.68. Состояние растительного покрова для пункта 7 - Малоичское резко ухудшилось с 2014 г., индекс МОУ1 снизился до 0.481 и далее в течение последних лет очень медленно восстанавливается, достигая в 2016 г. значения 0.518. При этом на территории фонового участка (пункт отбора 8) значение индекса МОУ1 с 2013 г. увеличилось с 0,681 до 0.711-0.793.
Сравнительный анализ концентраций УВ в водах Томской и Новосибирской областей и значений индекса МОУ1, полученных с помощью обработки космических снимков LANDSAT 8, выявил статистически значимую отрицательную связь между данными параметрами: наибольшему значению индекса МОУ1 соответствует минимальная концентрация УВ. Рассчитанный коэффициент корреляции равен значению -0.57, что свидетельствует о взаимозависимости между этими показателями.
Таким образом, разработанная методика комплексной оценки воздействия природных и техногенных факторов на окружающую среду с использованием наземных и спутниковых данных позволяет получать достоверную информацию о состоянии труднодоступных нефтегазодобывающих территориях, что оказывает значительную помощь в своевременной оценке экологической ситуации и принятии решений в устранении и профилактике загрязнения природных объектов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Савченко Н. В. Геоэкологические проблемы Западносибирской тайги // Окружающая природная среда и экологическое образование и воспитание : материалы II Всероссийской научно-практической конф. (7-8 февраля 2002 г). - Пенза, 2002 - С. 11-13.
2. Савченко Н. В. Антропогенное воздействие на экосистемы Васюганья и необходимость их охраны // Охрана природы и образование. На пути к устойчивому развитию : мат-лы научно-практич. конф. «Проблемы и перспективы охраны природы в Новосибирской области и сопредельных регионах», 3-4 декабря 2008 г. - Новосибирск, 2009. - С. 19-21.
3. Перемитина Т. О., Ященко И. Г. Применение данных спутниковых наблюдений TERRA-MODIS для мониторинга состояния окружающей среды нефтедобывающих территорий Западной Сибири // Безопасность жизнедеятельности. - 2015. - № 12. - С. 42-48.
4. Курганович К. А., Макаров В. П. Использование вегетационных индексов NDVI для оценки влияния пожаров на динамику растительности цасучейского бора // Вестник ЗабГУ. -2015. - № 2 (117). - С. 27-36.
5. Как загрузить данные Landsat 8. [Электронный ресурс]: О Landsat 8. - Режим доступа: http://www.esti-map.ru/articles/Download-Landsat-8-Data.
6. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК спектрометрии. ПНД Ф 14.1:2.5-95. - М. : Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ, 2004. - 15 с.
7. Шайн А. С. Комплексные оценки качества поверхностных вод. - Л. : Гидрометеоиз-дат, 1984. - С. 24-33.
© В. П. Днепровская, И. Г. Ященко, Т. О. Перемитина, 2017
