Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Техногенное воздействие на водные объекты при недропользовании практически невозможно исключить, поэтому важно своевременно отслеживать изменения гидрохимических параметров вод и прогнозировать их состояние. Для районов с интенсивной техногенной нагрузкой наиболее объективную оценку состояния водных объектов целесообразно вести, основываясь как на традиционных методах, так и с использованием данных дистанционного зондирования Земли, обеспечивающих возможность одномоментного наблюдения за обширными территориями, в том числе за труднодоступными участками. В рамках реализации проекта РНФ выполнена оценка состояния водных объектов, подверженных влиянию кислых шахтных вод, на основе результатов натурных наблюдений и обработки данных дистанционного зондирования Земли. Рассчитывался спектральный индекс AMWI (англ. Acid Mine Water Index, индекс, характеризующий спектральные свойства кислых шахтных вод) для обнаружения и оценки уровня загрязнённости природных водных объектов кислыми шахтными водами и показатель TSM (англ. Total Suspended Matter, показатель характеризующий количество взвешенных веществ). Полученные данные анализировались совместно с результатами полевых исследований. Выявлено, что впадение кислых шахтных вод привносит в реки вещества, распространяющиеся на значительные расстояния вниз по течению водотоков. При этом часть этих веществ осаждается в донных отложениях, аккумулируются и формируют вторичный источник загрязнения, другая часть вместе со взвешенными веществами мигрирует с потоком вод до устья рек. Установлено, что для крупных водных объектов, таких как водохранилища, показатели AMWI и TSM могут использоваться в паре для наблюдений за общим распространением взвешенных веществ, являющихся агентами переноса загрязнителей. Реализация концепции использования данных из нескольких источников позволяет сформировать наиболее объективное представление о экологическом состоянии водных объектов с принципиально новым уровнем пространственного и временного разрешения, при этом для оперативного мониторинга может быть организована сеть измерительных устройств, фиксирующих гидрохимические показатели в автоматизированном режиме. Мониторинг состояния поверхностных вод с использованием автоматизированных измерительных устройств является важным элементом разрабатываемой системы оценки качества вод в районах интенсивной техногенной нагрузки в рамках реализации проекта РНФ. Основным элементом системы мониторинга являются автономные датчики, измеряющие в режиме реального времени гидрохимические характеристики. При работе автоматизированных датчиков основной упор сделан на определение показателей, которые могут быть индикаторами загрязнения поверхностных вод в зависимости от особенностей контролируемого объекта и специфики техногенной нагрузки. Датчики подключаются к контроллеру, оснащенному средствами беспроводной передачи данных. В последствии пользователи имеют возможность взаимодействовать с системой через веб-интерфейс. Пользователю сервиса будут доступны оперативные и архивные данные измерений с каждого датчика в абсолютных значениях. Посредством автономных датчиков замеры параметров выполняются в оперативном режиме, гидрохимические параметры передаются на сервер 1 раз в 30 минут и записываются в базу данных (в тестовом режиме – чаще). По результатам полевой апробации автоматизированной системы мониторинга был сделан вывод о том, что используемые технические средства подтвердили свою работоспособность при совместном использовании, гидрохимические параметры стабильно передавались на сервер по беспроводной связи, в последствии данные анализировались, обрабатывались и визуализировалась. Доступ к данным осуществляется через веб-ресурс, позволяющий хранить, выгружать, анализировать и визуализировать результаты замеров. Аппаратно-программная структура современных картографических веб сервисов и информационных систем традиционно строится на основе архитектуры «клиент-сервер», типичной для обычных веб-приложений, но с добавлением компонентов ГИС. В проектируемой системе выделено три компонента: подсистема хранения, обработки и предоставления данных. Подразумевается, что потребителями данных разрабатываемой автоматизированной системы мониторинга будут пользователи различных платформ, поэтому разработано картографическое веб-приложение, которые строится с использованием языка разметки гипертекста (HTML), оформление внешнего вида веб-страниц осуществляют с помощью каскадных таблиц стилей (CSS). Учитывая, что проект реализуется в исследовательских целях наиболее целесообразным является использование отечественной платформы NextGIS для создания картографического сервиса доступного для пользователей через веб-браузер без необходимости установки специализированного программного обеспечения. По мере развития проекта геопортал может расширяться, а предложенная архитектура усложняться и включать в себя дополнительные модули. На текущем этапе картографический веб-сервис содержит данные результатов традиционного мониторинга и гидрохимических параметров, поступающих с датчиков, а также результаты обработки данных дистанционного зондирования Земли, фотоматериалы и описание. Тематические продукты представлены в растровом и векторном форматах при этом сервисом поддерживаются стандартные расширения, используемые в ГИС-среде: GeoTIFF, ESRI Shapefile, GeoJSON и т.д. Доступ к картографическому сервису может регулироваться от общедоступного до приватного с необходимостью авторизации. Также на основе результатов, полученных в рамках реализации текущего проекта РНФ, были определены наиболее показательные параметры оценки качества водных объектов при реализации концепции комплексного мониторинга. Установлено, что для исследуемого объекта при ведении мониторинга традиционными методами с отбором проб целесообразным является определение следующих показателей: TDS (как интегрального показателя загрязнения КШВ), pH (характеризующего изменение кислотно-щелочного баланса при взаимодействии с шахтными водами), электропроводности, температуры и концентрация Fe (общ.) в воде. Расширенный общий анализ проб воды и содержание микроэлементов на контролируемых участках может выполняться при дополнительной необходимости (например, 1 раз в год для определения и уточнения общей гидрохимической картины территории исследований). Оптимальными (с точки зрения эффективности детектирования загрязнения и финансовых затрат на закупку и установку технических средств) контролируемыми параметрами при функционировании сети автоматизированных датчиков являются следующие показатели: TDS, pH, температура. Однако стоит, учесть, что предложенные показатели рекомендованы для конкретных объектов и могут корректироваться в зависимости от особенностей природных и техногенных факторов, обуславливающих общее экологическое состояние территории. В качестве параметров, получаемых на основе обработки данных дистанционного зондирования Земли, были выбраны следующие показатели: спектральный индекс AMWI (Acid Mine Water Index), предложенный для оценки загрязнения воды, связанного с изливами кислых шахтных вод; Степень загрязнения водотока в диапазоне от 0 до 1 (для ее определения применялась нормировка на максимальное значение AMWI, наблюдавшееся за данные сутки для территории исследований); показатель TSM, характеризующий количество взвешенных веществ в водном объекте. Таким образом, данные гидрохимического опробования позволяют производить покомпонентную оценку загрязнения водного объекта, а спутниковые наблюдения позволяют выявлять источники загрязняющих веществ, зоны переноса и аккумуляции, а также оценивать масштабы их распространения. Данные о гидрохимическом состоянии водных объектов могут быть получены как в рамках традиционного мониторинга с ручным отбором проб, так с помощью сети датчиков, выполняющих замеры в автоматическом режиме. Совместный анализ этих данных позволяет сформировать наиболее объективное представление об экологическом состоянии исследуемых водных объектов. Наличие актуальных данных с высоким пространственно-временным разрешением позволяет своевременно отслеживать изменения качества поверхностных вод, прогнозировать их состояние, принимать оптимальные управленческие решения, при необходимости – выбирать наиболее эффективные природоохранные мероприятия. Ссылка на картографический сервис: https://hydrogeo.nextgis.com