ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2008, № 2, с. 183-191
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 55:502.64
ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СЕТИ В СИСТЕМАХ КОМПЛЕКСНОГО ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
© 2008 г. Т. В. Орлов
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН Поступила в редакцию 12.02.2007 г. После исправления 16.03.2007 г.
Одна из задач проектирования систем комплексного геоэкологического мониторинга - оптимальное размещение пунктов контроля, обеспечивающее полное, с минимальным количеством ошибок описание поля измеряемых параметров. В статье рассматриваются вопросы размещения информационно-измерительной сети для систем комплексного геоэкологического мониторинга. Предлагается использование ландшафтного, миграционного и техногенно-очагового подходов для размещения пунктов комплексного контроля. Количественно обосновывается адекватность ландшафтного и миграционного подходов. На основе рассмотренных подходов предложена схема размещения информационно-измерительной сети для месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова.
ВВЕДЕНИЕ
Одна из проблем разработки систем комплексного геоэкологического мониторинга - выявление принципов и методов размещения пунктов контроля. Системой комплексного геоэкологического мониторинга мы называем систему, контролирующую взаимовлияние крупного техногенного объекта и природной среды. Основными элементами измерительной сети системы комплексного геоэкологического мониторинга являются пункты комплексного контроля (ПКК) (под ПКК понимаются пункты контроля в режиме посещения). Пункт комплексного контроля в общем случае предназначен для контроля состояния рельефа, растительности, почв (морфологического состояния и химического загрязнения) и грунтовых вод. Таким образом, на ПКК измеряются многие параметры, в том числе относящиеся к разным природным компонентам. Пункты комплексного контроля предназначены в первую очередь для контроля структурных изменений ландшафта под воздействием техногенных ланд-шафтообразующих факторов (например, под воздействием формирования воронки депрессии), а также для контроля химического загрязнения почв.
Задача размещения пунктов контроля рассматривалась для частных систем мониторинга, контролирующих отдельные компоненты природной среды [2, 3, 8, 14 и др.]. При этом использовались разные подходы, обусловленные изменчивостью контролируемого параметра. Однако почти не рассматривались принципы размещения пунктов контроля для систем комплексного мониторинга, когда в одном пункте контролируется
совокупность разных параметров, относящихся и к почвам, и к растительности, и к грунтовым водам.
В общем виде постановка задачи заключается в следующем - размещение пунктов и профилей контроля должно обеспечивать восстановление поля измеренных параметров по нерегулярной сети точек с достаточной точностью. Размещение пунктов и профилей должно минимизировать ошибку описания поля и количество пунктов и профилей контроля.
Цель работы - обосновать новый подход к размещению пунктов комплексного контроля, предназначенных для отслеживания как структурных изменений ландшафта, так и почвенной миграции геохимических элементов, заключающийся в совместном использовании трех принципов: ландшафтного, миграционного и техногенно-очагово-го.
В данной работе рассматриваются аспекты размещения пунктов комплексного мониторинга, предназначенных для контроля химического загрязнения почв.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ
Горизонтальные и вертикальные потоки вещества и энергии в различных природных условиях (рельеф, климат и др.) формируют различные вертикальные связи между природными компонентами. Участки с однородными вертикальными связями на местности отвечают элементарным природно-территориальным комплексам (ПТК). Сочетания элементарных ПТК образуют ПТК более высоких иерархических уровней. Со-
Таблица 1. Выборка геохимических элементов, используемых при анализе
Элементы природных комплексов Химические элементы
Горизонт А1 (Т1 для болот) Горизонт В (Т2 для болот) Мохово-лишайни-ковый покров Ag, B, Ba, Be, Cr, Cu, Mn, Nb, Ni, Pb, Sc, Sr, Ti, V, Y, Yb, Zn, Zr Ag, B, Ba, Be, Co, Cr, Cu, Ga, Mn, Nb, Ni, Pb, Sc, Sr, Ti, V, Y, Yb, Zr Ag, B, Ba, Be, Cr, Cu, Mn, Mo, Nb, Ni, Pb, Sc, Sr, Ti, V, Y, Yb, Zn, Zr
ответственно, как показали различные исследования [4, 9, 10 и др.], природные комплексы в силу взаимосвязей, существующих между горными породами, грунтовыми и поверхностными водами и почвенно-растительным покровом, отвечают однородным условиям развития многих процессов (миграция и накопление геохимических компонентов, движение грунтовых вод, экзогенные геологические процессы и др.). Это позволяет предполагать, что многие параметры среды будут сравнительно мало изменяться внутри природно-территориальных комплексов, но будут относительно резко изменяться на их границах.
Ландшафтный принцип размещения звеньев информационно-измерительной сети (ИИС) заключается в использовании ПТК обычно нижних иерархических уровней, как шаблона размещения ИИС.
Выделение единых природных комплексов -классический прием, позволяющий схематизировать сложную и многофакторную природную обстановку. С другой стороны, очевидно, что единые, неизменные на своем протяжении комплексы являются упрощением. Чаще всего функционально-динамические зоны миграционного потока (области транзита, аккумуляции миграционных потоков разной природы и др.) не выявляются при выделении ПТК, что приводит к недостаточно точной информации о контролируемых параметрах природной среды в процессе мониторинга.
Горизонтальные потоки вещества и энергии не только формируют взаимосвязи между природными компонентами, но и являются факторами их перераспределения. Как показали различные исследования [4, 6 и др.], ПТК связаны между собой горизонтальными потоками вещества и энергии. В результате формируются катенарные и бассейновые системы, характеризующиеся одинаковыми и однонаправленными горизонтальными потоками вещества и энергии. Такие же потоки прослеживаются внутри комплексов.
Миграционный принцип размещения ИИС заключается в использовании миграционных потоков внутри природных комплексов.
Горизонтальные потоки вещества и энергии, направленные от источника воздействия, формируют определенную зональность техногенного воздействия.
Техногенно-очаговый принцип размещения ИИС заключается в использовании таких техно-генно-измененных зон для непосредственного контроля загрязнения природной среды. Этот принцип часто используется, безусловно рационален, но в настоящей работе подробно не рассматривается.
Апробация перечисленных выше принципов была проведена на эталонном участке, расположенном на севере Архангельской обл., в районе разработки месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова, на примере геохимических и дистанционных данных.
АНАЛИЗ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Использование ландшафтного принципа для планирования сети ИИС
Обоснование ландшафтного принципа формирования пространственной структуры ИИС сводится к исследованию соответствия природных комплексов, выделенных с помощью дистанционных и полевых данных, и геохимической дифференциации, выявленной с использованием регулярного геохимического обследования.
Для исследования были использованы данные независимого отбора проб для геохимических анализов по регулярной сетке с шагом 200 м (по данным А.И. Малова1). Определялся широкий набор химических элементов, в основном тяжелые металлы, для почвенных горизонтов А1 (или Т1 (при наличии)), В (или Т2) и мохово-лишайни-кового покрова (табл. 1). Этот набор данных является моделью однократных мониторинговых наблюдений.
Природно-территориальные комплексы выделялись по космическому снимку Quick Bird (2.4 и 0.6 м/пикс) в соответствии с классическими ландшафтными представлениями [5, 9]. Каждый пункт отбора геохимических проб относился к соответствующему природному комплексу, таким образом, получалась своеобразная классификация пунктов отбора геохимических проб по ландшафтной принадлежности. Каждый пункт отбора характеризовался набором концентраций различных химических элементов в разных почвенных горизонтах и мохово-лишайниковом покрове. Эти концентрации могут рассматриваться как независимые переменные для дальнейшего анализа, по которым может быть оценено геохимиче-
1 «Геоэкологическое картирование на участке "Центральный"» (Архивные материалы ОАО "Севералмаз").
ское сходство точек отбора и проведена их классификация на основе геохимических данных.
С помощью дискриминантного анализа проверялось качество этих двух классификаций [7, 11, 13]. Задача дискриминантного анализа состояла в проверке гипотезы о соответствии ландшафтной и геохимической дифференциации природных комплексов. Эта гипотеза может быть принята в качестве основы для размещения пунктов контроля.
Результатом дискриминантного анализа являются исправленная классификация точек отбора, построенная на основе дискриминирующей функции, и канонические переменные (корни, оси). Процент совпадения исходной и исправленной классификаций представляет собой меру адекватности исходной классификации природных комплексов для геохимической дифференциации.
В разных вариантах анализа учитывались концентрации геохимических компонентов для следующих элементов природных комплексов и их сочетаний:
• мохово-лишайниковый покров,
• горизонт А1 (Т1 для болот),
• горизонт В (Т2 для болот),
• сочетание мохово-лишайникового покрова и горизонта А1 (Т1 для болот),
• сочетание мохово-лишайникового покрова и горизонта В (Т2 для болот).
В разных вариантах анализа были использованы следующие ландшафтные классификации природных комплексов:
- общая классификация всех природных комплексов, в том числе включающая слабо антропогенно-модифицированные (в основном, вырубки);
- классификация только близких к естественным и естественных природных комплексов без антропогенных модификаций;
- классификация, в которой представлены лесные и болотные комплексы; было выделено всего 3 класса: лесной, болотный и переходный (в основном заболоченные леса).
Из всех классификаций были искл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.