Оценка состояния окружающей среды нефтедобывающих территорий на основе данных дистанционного зондирования с применением геоинформационных технологий

Выявлены нефтезагрязненные участки водных объектов и болот на основе данных дистанционного зондирования, представленных космическими снимками (КС) Landsat. Рассмотрены методические вопросы картографирования зон, уязвимых к техногенному воздействию. По КС Landsat территорий Самотлорского и Ватинского месторождений рассчитаны значения нормализованного вегетационного индекса. Проведена оценка состояния и изменения во времени нефтезагрязненногорастительного покрова в «уязвимых зонах»на основе нормализованного вегетационного индекса.

Оценка состояния окружающей среды нефтедобывающих территорий на основе данных дистанционного зондирования с применением геоинформационных технологий

 
Введение

По оценкам экологов ежегодно в России во внешнюю среду попадает не менее 1…3 % добываемой в стране нефти в результате аварийных разливов. Подсчитано, что в среднем при одном порыве нефтепровода выбрасывается 2 т нефти, приводящей в непригодность 1000 м2 земли [1]. Так, за 2009 г. в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) зарегистрировано 4797 аварий, из них 2417 аварий на нефтепроводах и 2380 аварий на водоводах. Общая масса загрязняющих веществ, попавших в окружающую среду, составила 5781 т, площадь загрязнения составляет 229,6 га [2].

Как в аварийных ситуациях, так и в режиме нормальной эксплуатации объектов добычи, первичной переработки и транспортировки углеводородного сырья происходят утечки, сбросы или иное поступление нефтепродуктов в водные объекты и на поверхность площади водосбора. Экологические исследования на данных территориях предполагают выявление существующих и возможных экологических нарушений, оценку фактического состояния и уровней загрязнения почвы, воды, напочвенного покрова и картографирование зон влияния объектов нефтедобычи на окружающую среду. В настоящее время для экологических исследований используются различные геоинформационные системы (ГИС), предоставляющие возможности моделирования и прогнозирования неблагоприятных ситуаций. Основной целью данной работы является геоинформационное картографирование зон, уязвимых к техногенному воздействию, и оценка их состояния на основе данных дистанционного зондирования, представленных космическими снимками (КС) Landsat.

Картографирования зон, уязвимых к техногенному воздействию

Объекты добычи, первичной переработки и транспортировки углеводородного сырья зачастую расположены на болотах, озерах и их водоохранных зонах, отличающихся высокой чувствительностью к техногенному воздействию. Проведена оценка нефтезагрязнения водно-болотных угодий на основе дешифрирования КС Landsat.
Поступление нефтепродуктов в реки и озера происходит как непосредственно при авариях на нефтепроводах, пересекающих водные преграды, так и при смыве с нефтезагрязненной водосборной площади [3]. Нефтяная пленка изменяет отражательные свойства поверхности водных объектов и контрасты между пятнами нефти и чистой водой заметны на КС Landsat. Например, при синтезе КС территории Самотлорского месторождения, полученных в видимом диапазоне электромагнитного спектра, на озерах Самотлор и Кымыл-Эмтор замечены ореолы нефтезагрязнений. Действительно, по данным бюллетеня [3] на отдельных реках и озерах территории лицензионных участков отмечается превышение предельно допустимых концентрации нефтепродуктов, установленных для рыбохозяйственных водоемов (ПДКвр). Концентрации нефтепродуктов более 0,2 мг/дм3 (4 ПДКвр) наблюдаются в основном на небольших водных объектах зимой и весной.

Для выявления нефтезагрязнений на водораздельных пространствах использовались КС Landsat в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. В результате дешифрирования КС Landsat 1999—2001 гг. было определено, что общая площадь нефтяных разливов на территории тестового участка составляет 24 км2, из них 11 км2 приходится на Самотлорское месторождение. По результатам дешифрирования КС Landsat в 2007 г. на территории Самотлорского и Ватинского месторождений площади нефтеразливов составили 4,5 км2 и 0,4 км2 соответственно (см. таблицу).

Площади нефтеразливов

Площади нефтеразливов

Как видно из таблицы, наибольшие площади нефтеразливов на территории Самотлорского и Ватинского месторождений приходятся на моховые и травяные болота, которые составляют от 46 до 60 % от общей площади нефтеразливов.

Несмотря на снижение площадей нефтезагрязненных земель на территории ХМАО в результате проводимых рекультиваций проблема нефтяного загрязнения остается острой. Так, в результате наземного обследования территории Самотлорского месторождения в 2011 г. было установлено неудовлетворительное экологическое состояние некоторых кустовых площадок, находящихся в водоохранной зоне озера Кымыл-Эмтор [4]. Например, в процессе обследования кустовых площадок № 1173а и 1173б были выявлены утечки нефтесодержащей жидкости за пределы объекта на прилегающую заболоченную территорию.

С учетом рассмотренного воздействия объектов нефтедобычи на состояние водно-болотных угодий и на основании нормативных документов [5—7] было решено построить зоны, уязвимые к техногенному воздействию. В данной статье предложена методика построения «уязвимых зон» на основе КС с применением средств геоинформационных систем ArcGIS и ArcView (рис. 1).

Схема процедуры картографирования зон, уязвимых к техногенному воздействию

Рис. 1. Схема процедуры картографирования зон, уязвимых к техногенному воздействию

Построение контуров болот и водных объектов осуществлялось в несколько этапов с проведением классификации, векторизации и фильтрации растровых и векторных слоев. На первом этапе проводилась классификация КС «с обучением» с использованием средств ERDAS Imagine. Классификация КС проводилась с целью объединения по яркостным значениям пикселей КС в классы, соответствующие определенному типу растительного покрова, открытым участкам, водным и антропогенным объектам. Векторизация классифицированного КС и выделение отдельных векторных слоев водных объектов и болот проводилась с использованием средств ERDAS Imagine. Фильтрация изображений на классифицированных КС проводилась средствами ERDAS Imagine с размером «скользящего окна» 3 х 3 пикселя.

Построение сети кустовых площадок и нефтепроводов проводилось на основе КС и топографических карт с использованием средств ArcView.

Построение зон, уязвимых к техногенному воздействию, проводилось путем вырезания областей перекрытия векторных слоев водных объектов, болот и их водоохранных зон с кустовыми площадками, нефтепроводами с использованием средств ArcGIS. Согласно положению [5] водоохранной зоной является территория, примыкающая к акваториям рек, озер и других поверхностных водных объектов, на которой устанавливается специальный режим хозяйственной и иных видов деятельности с целью предотвращения загрязнения, засорения, заиления и истощения водных объектов, а также сохранения среды обитания объектов животного и растительного мира.

Минимальная ширина водоохранных зон для озер и верховых болот, формирующих сток постоянных водостоков с площадью акватории более 2 км2, составляет 500 м. Для болот в истоках рек, а также для других болот, формирующих сток в водосборном бассейне, водоохранные зоны устанавливаются на прилегающих к ним территориях.

Определение «уязвимых зон» проводилось с учетом нормативных документов [5—7] и построением санитарно-защитных зон вокруг кустовых площадок и зон влияния возможных разливов нефти по обе стороны нефтепроводов на состояние воды и растительного покрова болот. Санитарно-защитная зона определена для обеспечения снижения уровня воздействия на среду обитания и здоровье человека до требуемых гигиенических нормативов для предприятий топливно-энергетического комплекса [6]. Так, для предприятий по добыче нефти с высоким содержанием летучих углеводородов и выбросами сероводорода от 0,5 до 1 т/сутки защитная зона составляет 1000 м. В данной работе санитарно-защитные зоны построены вокруг каждой кустовой площадки и их ширина составляет 1000 м. В работе кроме санитарно-защитных зон вокруг кустовых площадок построены также зоны влияния возможных нефтеразливов на нефтепроводах. Ширина данных зон определена с учетом нормативного документа [7] и опыта выявления нефтеразливов по КС [8], что составляет также 1000 м по обе стороны от линий нефтепроводов.

На рис. 2 приведена картосхема участка ХМАО с зоной, уязвимой к техногенному воздействию, и карта-врезка, содержащая подробное изображение участка Самотлорского месторождения, с обозначенными кустовыми площадками.
Оценка состояния растительного покрова в зоне, уязвимой к техногенному воздействию, на основе нормализованного вегетационного индекса (NDVI).

 картосхема участка ХМАО с зоной, уязвимой к техногенному воздействию

Количественная оценка состояния растительного покрова в зоне, уязвимой к техногенному воздействию, проводилась с использованием нормализованного вегетационного индекса NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), который был рассчитан по КС Landsat по формуле [9]:

на8

где Pnir и Pred — значения яркости пикселя в ближнем инфракрасном диапазоне и красном диапазоне соответственно.

NDVI широко применяется для определения изменений состояния растительного покрова по разновременным снимкам. Значение индекса NDVI на КС Landsat является отношением разности яркостей пикселя, определенных в инфракрасном (0,75…0,9 мкм) и красном (0,63…0,69 мкм) диапазонах спектра к их сумме. В красной области спектра находится максимум поглощения солнечной радиации хлорофиллом, а в инфракрасной области спектра — максимум отражения клеточными структурами листа. Как правило, для густой растительности он составляет 0,7, для разреженной растительности — 0,5, для открытой почвы — 0,025 и искусственных материалов — (—0,5) [9].

Индексы NDVI были рассчитаны и усреднены для нефтезагрязненных участков болот по КС Landsat 1999, 2000, 2001 и 2007 гг. На рис. 3 приведены средние значения индекса NDVI на нефтезагрязненных болотах, определенные по сентябрьским КС Landsat 1999 г. и 2001 г. (рис. 3, а) и по июльским КС Landsat 2000 г. и 2007 г. (рис. 3, б).

Средние значения NDVI на нефтезагрязненных участках болот Самотлорского и Ватинского месторождений

Рис. 3. Средние значения NDVI на нефтезагрязненных участках болот Самотлорского и Ватинского месторождений, определенные по сентябрьским КС Landsat (a) и июльским КС Landsat (б)

На нефтезагрязненных болотах по сентябрьскому снимку 1999 г. установлены низкие средние значения NDVI, составившие 0,02 и 0,06 для Самотлор- ского и Ватинского месторождений соответственно.

Значительное угнетение р астительного покрова отмечено по июльскому КС Landsat 2000 г., средние значения NDVI на нефтезагрязненных участках болот составили: —0,1 на Самотлорском и —0,02 на Ватинском месторождениях. Согласно [10, 11] сильные изменения в болотных фитоценозах происходят при концентрации в почве нефтепродуктов в размере 15 %, полное вымирание растительного покрова наблюдается при приближении к концентрации 40 %. Глубина проникновения нефти по почвенному профилю на болотных участках в среднем составляет 0,05…0,15 м, при высоких уровнях загрязнения на верховых болотах происходит битуминизация почвы на глубину 10…30 см.

В 2001 г. выявлено увеличение средних значений NDVI на нефтезагрязненных болотах, которые составили 0,06 и 0,11 для Самотлорского и Ватинского месторождений соответственно. В 2007 г. значение NDVI на нефтезагрязненных участках болот с 8-летней давностью нефтеразливов составило: 0,3 для Самотлорского и 0,37 для Ватинского месторождений. Повышение значений NDVI участков нефтезагрязненных болот в 2007 г. по сравнению с 2000 г. свидетельствует о восстановлении растительного покрова и приросте его биомассы. По данным работ [10, 11] время восстановления растительного покрова олиготрофных болот зависит от целого ряда факторов, таких как тип болотного микроландшафта, степень залитости нефтью, время года и положения уровней болотных вод относительно поверхности в момент разлива нефти. Самовосстановление фитоценозов на загрязненных участках болот протекает медленно, при высоком уровне загрязнения (более 40 масс. % нефти в 20-сантиметровом слое почвы), через 10…25 лет концентрация нефтепродуктов снижается до 30..    .15 масс. % [10]. Основную массу из оставшихся нефтепродуктов в почве на давних и старых нефтераз- ливах составляют малотоксичные высокомолекулярные углеводороды и смолисто-асфальтеновые компоненты, которые не препятствуют заселению и росту большинства видов растений.

Однако восстановлению растительного покрова препятствует образование смолисто-асфальтеновой корочки на поверхности болота. Отмечено [11], что при рекультивации, основанной на фрезеровании (распашке) торфяной залежи в среднем через 7 лет после аварийного разлива нефти формируются пушициево-сфагновые (осоковые) растительные сообщества вместо ранее доминирующих сосново-кустарничково-сфагновых сообществ.

Заключение

Разработанная методика построения карт «уязвимых зон» на основе КС с применением ГИС- технологий основана на оценке площадей нефтезагрязнения водно-болотных угодий на основе д е- шифрирования КС. С учетом нормативных документов [5—7] построены зоны, уязвимые к техногенному воздействию. В данных зонах рассчитаны средние значения NDVI для нефтезагрязненных участков болот. Выявлено, что на нефтезагрязненных болотах Самотлорского и Ватинского месторождений ухудшение состояния растительного покрова произошло в 1999 г., в 2000 г. наблюдалось значительное его угнетение. Установлено, что в 2007 г. произошел значительный прирост биомассы растительного покрова нефтезагрязненных участков болот с 8-летней давностью нефтеразливов, что свидетельствует об улучшении со временем экологического состояния болот исследуемой территории.

Список литературы

1. Учебник по промышленной экологии. url: http: //ekolo- gyprom.ru/uchebnik-po-promvshlennoi-ekologii.html

2. Информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа — Югры в 2006—2007 годах». — Ханты-Мансийск: ОАО «НПЦ Мониторинг», 2008. — 117 с.

3. Информационный бюллетень «О состоянии окружающей среды Ханты-Мансийского автономного округа — Югры в 2008— 2009 годах». — Ханты-Мансийск: НПЦ Мониторинг, 2Q10. — 130 с.

4. Вести с Самотлорского месторождения. Общественная организация Ханты-Мансийского автономного округа — Югры по содействию в решении задач в области экологии «эконадзор». url: http: //www.econadzor.com/news/236.html.

5. Постановление правительства РФ № 1404 от 23.11.96 «Об утверждении положения о водоохранных зонах водных объектов и их прибрежных защитных полосах». url: http: //tomsk.gov. m/m/documents/mdex.htmГ?document=13224&veISion=prmt

6. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.1/2.1.1.12QQ—03 «Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов». url: http: //www.docload.ru/Basesdoc/11/ 11774/index.htm.

7. Методическое руководство по оценке степени риска аварий на магистральных нефтепроводах. — М.: Государственное унитарное предприятие «Научно-технический центр по безопасности в промышленности госгортехнадзора России», 2002. — 133 с.

8. Алексеева М. H., Перемитина Т. О., Ященко И. Г. Оценка влияния нефтеразливов на состояние р астительного покрова и приземного слоя атмосферы с использованием КС // Оптика атмосферы и океана. — 2Q11. — Том 24. — № 7. — С. 6Q6—61Q.

9. Черепанов А. С., Дружинина Е. Г. Спектральные свойства растительности и вегетационные индексы // Геоматика. — 2QQ9. — № 3. — С. 28—32.

10. Зубайдуллин А. А. Самовосстановление нарушенных фитоценозов на нефтезагрязненных участках суходолов и верховых болот // Наука и образование ХМАО — XXI веку // Сборник тезисов докладов окружной конференции молодых ученых и специалистов. — Сургут: СурГУ, 2QQQ. — С. 18—2Q.

11. Вершинин Ю. А., Зубайдуллин А. А. Оценка экологических рисков при загрязнении болот и их рекультивации // Промышленность и экология севера. — 2Q1Q. — № 6. — С. 42—5Q.

__________________

М. Н. Алексеева, канд. геогр. наук, мл. науч. сотр., И. Г. Ященко, канд. геол.-минер. наук, зав. лаб., Т. О. Перемитина, канд. техн. наук, науч. сотр., Институт химии нефти Сибирского отделения Российской академии наук (ИХН СО РАН)

Ключевые слова: нефтедобывающие территории, растительный покров, водные объекты, болота, космические снимки Landsat, «уязвимые зоны», нормализованный вегетационный индекс

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

*

code