Эколого-геохимическая оценка природной среды гидрогеоэкологического полигона “Томский” с использованием геоинформационных технологий

Актуальность. Широкие интегративные и функциональные возможности современных геоинформационных технологий в получении нового знания о пространственных и временных свойствах природных объектов предопределили их повсеместное применение для решения различных научно-исследовательских и прикладных задач. Велика востребованность технологий геоинформационных систем (ГИС) и при эколого-геохимической оценке территорий [13; 12; 146; 145; 26; 55; 95; 96; 102; 133; 139; 149 и др.]. В ходе эколого-геохимических исследований накапливается большой объем разнородной информации, ГИС позволяет объединить эти данные на основе пространственной привязки к территории и представляет собой многофункциональный инструмент комплексной оценки природной среды, в том числе, ее изменений, обусловленных техногенным воздействием.
Процесс технического развития производства неизбежно трансформирует все компоненты природной среды. Прежде всего, изменения связаны с концентрацией и рассеиванием химических элементов в атмосфере, гидросфере, литосфере, почвенном и растительном покровах в количествах несвойственных для естественных условий. Такое загрязнение природной среды существенно ухудшает экологическое состояние территории, что, в свою очередь, отрицательно влияет на здоровье населения [138; 137; 2; 3; 15; 150, 151; 28 и др.].
Наиболее ярко влияние техногенеза проявляется на территориях концентрации многопрофильных предприятий. Для промышленного юга Томской области характерна существенная техногенная нагрузка, обусловленная, во- первых, эксплуатацией предприятия ядерного топливного цикла с полигонами подземного захоронения и прудами-накопителями жидких радиоактивных отходов (ЖРО), которые загрязняют почти все компоненты окружающей среды техногенными радионуклидами; во-вторых, функционированием промышленных предприятий и автотранспорта, загрязняющих атмосферу и почвы отходами производства; в-третьих, вторичным загрязнением приземной атмосферы
4
5
вследствие ветрового переноса загрязняющих веществ с почвы, а также возможностью поступления в подземные воды загрязняющих веществ в результате фильтрации их с поверхности и со стороны полигонов ЖРО [117; 111; 110; 150; 151; 154 и др.]. Поэтому вопрос всесторонней экологической оценки современного состояния компонентов природной среды в районе г. Томска и прилегающей территории особенно актуален.
Для адекватного и качественного исследования состояния геологической среды при разнообразных видах техногенного воздействия и определения рационального комплекса необходимых показателей, позволяющих эффективно решать практические задачи прогноза, на территории Обь-Томского междуречья и прилегающем правом берегу р. Томь по инициативе ТЦ «Томскгеомониторинг» (АО «Томскгеомониторинг») в 2001 г. был организован гидрогеоэкологический полигон «Томский» (полигон «Томский») [207; 209]. Создание полигона «Томский» явилось важным методическим этапом в изучении эколого- геохимических характеристик территории, который позволил аккумулировать имеющиеся к этому времени многолетние ряды систематических наблюдений за подземными водами, почвами, снегом и перейти к комплексным, обобщающим исследованиям. Одним из таких исследований и является настоящая диссертационная работа.
Современная нормативная база геохимической оценки экологического состояния территорий – теоретическая основа данной диссертации – основывается на коэффициентах и показателях, применяемых при изучении ландшафтов и поисках полезных ископаемых (А.И. Перельман, В.А Алексеенко, Н.С. Касимов, М.А. Глазовская, А.П. Соловов, Н.И. Сафронов и др.). Сотрудниками ИМГРЭ (Ю.Е. Сает, Э.К. Буренков, Е.П. Янин и др.) разработаны основы практического применения экологической геохимии для решения многих задач по выявлению и картированию источников и очагов техногенного загрязнения, оценки состояния окружающей среды, определения степени риска для здоровья населения, проживающего в очагах загрязнения. На кафедре ГЭГХ ТПУ развивают методы комплексной эколого-геохимической оценки территорий
5

6
с комбинационным характером техногенного воздействия (Л.П. Рихванов, Е.Г. Язиков и др.) [150; 151; 152; 204 и др.].
Широкие возможности применения геоинформационных технологий и их реализации в виде геоинформационных систем для эколого-геохимической оценки различных территорий продемонстрированы во многих работах российских и зарубежных ученых (В.Т. Жуков, Л.Н. Гинзбург, В.С. Тикунов, Н.И. Куракина; С.А. Куролап, Б.А. Новоковский и др.).
Коллективом кафедры ГЭГХ ТПУ, участником которого являлся и автор, проведены научные обобщения геохимического мониторинга окружающей среды и заболеваемости Томского района на основе геоинформационных технологий и опубликована монография [151].
Поскольку постоянно повышаются требования к объективности и уровню надежности оценки и прогноза экологической ситуации на территории с интенсивными условиями техногенеза, особую актуальность приобретают как детальные геохимические исследования компонентов природно-антропогенной среды, так и комплексная эколого-геохимическая оценка такой территории на базе новых научных достижений. Так, оценка возможного воздействия антропогенных факторов на подземную гидросферу является достаточно сложной задачей, поэтому совместное использование современных методологических разработок в исследовании геологической эволюции системы вода-порода- органическое вещество (В.П. Зверев, Р.М. Гаррелс, Ч.Л. Крайст, С.Р. Крайнов, Б.П. Рыженко, С.Л. Шварцев и др.) и геоинформационных технологий позволяет по-новому подойти к решению данной проблемы.
Сложность комплексной эколого-геохимической оценки заключается в разобщенности имеющихся данных, в отсутствии единой системы хранения и обработки информации. Объединение, обобщение разнородных результатов исследовательских работ, проведенных различными организациями для получения комплексной оценки природной среды, возможно на основе геоинформационных технологий, так как все полученные данные имеют четкую пространственную привязку.
6

7
Цель работы – выполнить эколого-геохимическую оценку компонентов природной среды гидрогеоэкологического полигона «Томский» с использованием геоинформационных технологий.
Объект исследований. Компоненты природной среды (почва, снег, подземные воды) территории гидрогеоэкологического полигона «Томский».
Предмет исследований. Геохимические показатели компонентов природной среды.
Задачи исследования:
1. Разработать геоинформационную систему «Гидрогеоэкологический полигон Томский» (ГИС «ГГЭП Томский») хранения, обработки и представления эколого- геохимической информации.
2. Построить комплект карт по степени геохимической трансформации почв, снегового покрова с использованием созданной ГИС.
3. Провести анализ гидрогеохимических данных с выделением однородных гидрогеохимических совокупностей, используя функционал ГИС, для чего создать программу для выделения однородных гидрогеохимических совокупностей на основе теории взаимодействия вода-порода, интегрированную в ГИС «ГГЭП Томский».
4. Определить базовые параметры показателей качества подземных вод изучаемой территории.
5. Оценить эколого-геохимическое состояние подземных вод относительно базовых данных.
Методологическая основа. В работе использованы теоретические разработки отечественных и зарубежных авторов по геоэкологии, геоинформационным системам, моделированию (В.А Алексеенко, А.И.Перельман, Ю.Е. Сает, Л.П. Рихванов, Е.Г. Язиков, В.К. Попов, В.С. Тикунов, М. Зейлер, Э. Митчелл, М. Н. ДеМерс, Р. Томлинсон и др.) и эволюционному развитию системы вода-порода (Р.М. Гаррелса, Ч.Л. Крайста, С.Л. Шварцева, С.Р.Крайнова, Б.П. Рыженко, В.П. Зверева, Г.Б. Наумова, М.Б. Букаты, Ю.Г. Копыловой, Е.М. Дутовой и др.).
7

8
Методическая база представлена теорией геоинформационных систем, методами химической термодинамики, геоэкологии и геохимии, математической статистики. Программное обеспечение: ArcGIS, Statistica.
Фактический материал. База геоданных сформирована на основе обширного фактического материала, полученного в ходе комплексных эколого- геохимических исследований изучаемой территории сотрудниками АО«Томскгеомониторинг», учеными ТПУ, ТГУ, ТГАСУ и другими организациями. В работе использованы материалы, полученные в ходе комплексных исследований, проведенных сотрудниками и студентами кафедры геоэкологии и геохимии Института природных ресурсов ТПУ (зав. каф Л.П.Рихванов), в которых автор диссертации принимал непосредственное участие, фондовые (ОА «Томскгеомониторинг» генеральный директор В.А.Льготин) и опубликованные источники. В рамках хоздоговорных работ (2009-2011 гг.) с ОА «Томскгеомониторинг» автором совместно с сотрудниками НОЦ «Вода» (начальник Ю.Г. Копылова), каф. ГИГЭ (зав. каф. С.Л. Шварцев) ИПР ТПУ проводились исследования состояния подземных вод территории гидрогеоэкологического полигона «Томский».
Личный вклад автора заключался в сборе, систематизации и анализе эколого-геохимических данных исследуемой территории; создании программы для выделения однородных гидрогеохимических совокупностей, построении карт; участии в проведении полевых исследований, в составлении научно- исследовательских отчетов; создании базы геоданных и построении геоинформационной системы.
Научная новизна:
• Впервые создана геоинформационная система «ГГЭП Томский», реализованная в среде ArcGIS, включающая базу результатов геохимического опробования компонентов природной среды, системные и авторские инструменты для обработки данных.
8

9
• На основании анализа карт, построенных с использованием созданной базы геохимических данных, установлены участки техногенной трансформации компонентов природной среды.
• Предложены новые методики оценки эколого-геохимического состояния подземных вод на основе геоинформационных технологий. (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ No 2015662947 РФ Федерация, Е.П. Янкович, 07.12.2015 г., дата публикации 20.01.2016 г.)
• Получены новые данные о распространенности базовых концентраций химических элементов в подземных водах с учетом их геохимических типов.
• Выявлена природно-техногенная составляющая повышенных содержаний химических элементов в подземных водах.
Защищаемые положения:
1. Геоинформационная система «Гидрогеоэкологический полигон Томский», реализованная в среде ArcGIS, является эффективным инструментом комплексной эколого-геохимической оценки природной среды, позволяющим получать модели пространственной локализации химических элементов в почве, снеге, подземных водах и картографировать эколого-геохимическую обстановку.
2. Разработанная геоинформационная технология выделения однородных гидрогеохимических совокупностей в водоносных комплексах с учетом взаимодействия системы вода–порода позволяет получить базовые параметры распределения химических элементов в подземной гидросфере (подземных водах).
3. Коэффициенты контрастности, определенные относительно базовых параметров, позволяют обнаруживать формирующиеся геохимические аномалии в подземных водах и идентифицировать избыточное поступление химических элементов преимущественно техногенного происхождения.
Практическая значимость определяется возможностью использования
базы геохимических данных, карт фоновых значений при комплексной эколого- геохимической оценке природной среды и прогнозировании последствий
9

10
антропогенного воздействия. Материалы исследований были использованы в процессе выполнении хоздоговорных работ и грантов. Внедрение новой технологии обработки гидрогеохимических данных на основе анализа геохимических типов вод с использованием геоинформационных технологий способствует совершенствованию мониторинга качества вод и может использоваться при оценке эколого-геохимического состояния водной среды и прогноза её изменения в условиях техногенного стресса. Результаты исследований по гидрогеоэкологическому полигону «Томский» переданы АО «Томскгеомониторинг» и представлены в сводном информационном отчете о состоянии недр на территории Томской области. Предложенная методика выявления природно-техногенных повышенных содержаний химических элементов в подземных водах может быть применена при ведении государственного мониторинга подземных вод.
Материалы диссертационной работы используются в учебных курсах «Геоинформационные системы», «Исследование водохозяйственных систем природно-техногенных комплексов», «Геохимический мониторинг», читаемых для студентов Института природных ресурсов ТПУ.
Достоверность защищаемых положений определяется большим массивом фактического материала, современными методами обработки данных с использованием специализированного программного обеспечения. Результаты исследований получены на современном сертифицируемом аналитическом оборудовании с использованием как передовых, так и традиционных методов исследования в аналитических центрах: НОЦ «Вода» ИПР ТПУ (г. Томск), Лаборатория ядерно-геохимических методов исследования кафедры геоэкологии и геохимии ИПР ТПУ, Гидрохимическая лаборатория АО «Томскгеомониторинг».
Апробация работы и публикации. Результаты исследований и основные положения докладывались на международных и всероссийских конференциях: Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск 2005, 2011, 2012), VIII научная конференция по тематической картографии (Иркутск 2006),
10

11
International Symposium on Trace Elements in the Food Chain Deficiency or Excess of Trace Elements in the Environment as a Risk of Health (Будапешт, Венгрия 2006, 2009), 7th International Forum on Strategic Technology (IFOST – 2012) (Томск 2012), Всероссийского совещания по подземным водам востока России (Иркутск 2012), International Multidisciplinary Scientific Geoconference (Албена, Болгария 2014, 2015), Всероссийского совещания по подземным водам востока России (Иркутск 2012), International Multidisciplinary Scientific Geoconference (Албена, Болгария 2014, 2015) и др. По теме диссертации в части проведения эколого-геохимических и геологических исследований с использованием геоинформационных технологий опубликовано более 30 работ в соавторстве, в том числе: 8 статей в журналах из списка ВАК, 4 монографии, 5 статей индексируемых в реферативных базах данных SCOPUS, патент, свидетельство о регистрации программы.
Благодарности. Автор глубоко признателен научному руководителю д.г.-м.н., профессору Л.П. Рихванову. Автор искренне благодарен генеральному директору АО «Томскгеомониторинг» к.г.-м.н. В.А. Льготину за возможность использования данных и поддержку, сотрудникам АО «Томскгеомониторинг» Г.А. Жульминой, В.П. Шинкаренко, Н.В. Виниченко, Д.Н. Четвергову за совместную работу и советы. За внимание, советы и объективную критику автор благодарен д.-рам г.-м.н., профессорам В.К. Попову, С.Л. Шварцеву, Е.Г.Язикову, Е.М. Дутовой, О.Г. Савичеву; к.г.-м.н. Н.В. Гусевой, к.х.н. Н.А. Осиповой. Особую признательность и благодарность автор выражает к.г.-м.н. Ю.Г. Копыловой и к.г. -м.н. Ю.В. Макушину, которые определили основную направленность научных исследований и оказывали поддержку на протяжении выполнения диссертационной работы. Автор благодарен коллективам кафедр ГЭГХ, ГРПИ и своей семье.