Применение оверлейных операций ГИС является достаточно мощным средством анализа, включающим совместную аналитическую обработку [1] нескольких разноименных слоев с использованием логических операций и генерацией возникающих при этом производных слоев. Применяемые здесь алгоритмы ориентированы на максимальное уменьшение затрат машинного времени при расчете показателей экологического состояния, экспоненциально возрастающих при росте объектового объема обрабатываемых слоев.

Целью работы является создание модулей пространственно анализа с применением оверлейных операций ГИС для оценки качества атмосферного воздуха городской территории  (на примере г. Биробиджана).

Для достижения поставленной цели необходимо разработать инвентаризационные базы данных: источников загрязнения, представленные промышленными предприятиями, автомобильным транспортом и многочисленными источниками неорганизованных выбросов частного сектора.

Особенность структур баз данных (БД) определяется разнохарактерностью исходных данных [2,3], которые можно разделить на переменные, постоянные, условно-переменные:

·         массивы постоянных данных: реестр загрязнителей, их свойства, параметры источников загрязнения, климатические условия, коэффициенты самоочищения атмосферы;

·         массивы переменных данных: объемы выбросы загрязнителей (годовые, сезонные или ежемесячные);

·         массивы условно постоянных данных: время работы источника, изменения в реестре и объемах поллютантов.

Информация БД должны быть интегрированы функциональные модули ГИС, включающие алгоритмы построения регулярной сети и обобщения расчетных количественных и качественных данных загрязнения атмосферного воздуха по каждому источнику загрязнения, с соответствующим нормированием показателей по степени загрязнения по превышению ПДК [4].

На основе выделенных данных и возможностью интеграции с ГИС, реализована БД промышленных предприятий, включающая характеристики источников загрязнения, объемы выбросов поллютантов и их свойства (рис.1).

Рис. 1. Логическая структура БД источников загрязнения

Для связи между табличными и картографическими данными использовалось два вида ключей: – тематический и – географический. Первичный ключ содержит соотношения данных различных таблиц: например, предприятия – источники загрязнения, поллютанты – объемы выбросов, номер источника – его параметры. Это позволяет создавать запросы на получение пользователем справочной информации. С помощью вторичного ключа в БД переносится информация с электронных карт. При выделении картографического объекта происходит связывание информации о его пространственном расположении с информацией о нем, хранящейся в БД.  Структура   БД позволяет в любой момент развернуть любой из привязанных к ключу атрибутов в слой с размерностью исходной регулярной сетки пространственных объектов с последующей формализацией пространственно-непрерывной информации, свойственной большинству природных и значительному числу антропогенных объектов.

Регулярная сеть представлена унифицированной графической моделью пространственных объектов, которыми являются операционно-территориальными единицами (ОТЕ). Данные атомарные объекты соответствуют элементарной площадке определенного размера, с координатной привязкой на местности и характеризуются набором переменных атрибутов. Расчет атрибутов происходит с помощью постоянных и условно-переменных данных пространственных точечных объектов источников загрязнения.

Входными данными анализа является регулярная сеть ОТЕ и наборы данных источников загрязнения, полученные из БД на основе картографического ключа MapInfo_ID ГИС MapInfo Professional. Основной проблемой обработки ОТЕ регулярной сети является определение качественных и количественных характеристик одинаково расположенных ОТЕ источников загрязнения, которая решается с использованием оверлейных операций ГИС, включающие экспертную оценку интенсивности загрязнения с последующим их объединением.

Выполнение пространственного анализа осуществляется последовательно модулями ГИС (см. рис 2) по схеме[5]:

·         построение регулярной сети ОТЕ с указанным разрешением (50, 100, 250, 500 м) в зависимости от уровня детализации территории;

·         выделение источников загрязнения ;

·         построение к каждому источнику полиноминального объекта, отображающего территорию, подвергающуюся загрязнению;

·         декомпозиция данного объекта на ОТЕ регулярной сети;

·         расчет качественных и количественных атрибутов ОТЕ регулярной сети в зависимости от математической модели расчета загрязнения территории;  

·         агрегирование атрибутов ОТЕ регулярной сети по степени загрязнения;

·         нормирование атрибутов ОТЕ регулярной сети в виде тематической карты ГИС.

Рис. 2. Обобщенная структура обработки атрибутов ОТЕ регулярной сети

В качестве примера нами проведено моделирование распространения примесей в атмосфере г. Биробиджана, основанное на использовании формулы Саттона и уравнения турбулентной диффузии, построены полигоны загрязнения в зависимости от преобладающего переноса поллютантов в приземных слоях атмосферы в зимний и летний периоды года . Построены серия электронных карт интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана масштаба 1:25000 (рис 3,4). Она включает карты: источников, сгруппированных по типам (производства, котельные, автозаправочные станции и т. д.); загрязнения приземных слоев атмосферы в летний и зимний периоды года, содержания загрязнителей в депонирующих средах, функционально связанных с состоянием атмосферы.

Рис. 3. Фрагмент карты интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана в зимний период

Рис. 4.  Фрагмент карты интенсивности загрязнения атмосферы источниками г. Биробиджана в летний период.

Разработанные специализированные модули ГИС позволяют провести дифференцирование антропогенного влияния на качество атмосферного воздуха путем наложения полей загрязнения в территориальных операционных единицах и объединения их в зоны с одинаковым уровнем состояния атмосферы; выявить территориальную динамику изменения качества атмосферу в различные периоды года; определить районы города, подвергающиеся максимальному и минимальному загрязнению; определить районы для рационального размещения новых предприятий; выбирать точки для экологического мониторинга; создать основу для разработки модели динамики качества атмосферы городской территории.

Тип загрязнителя, в большей степени характеризующийся вероятностными характеристиками встречаемости фракций разных размеров;

Климатически-пространственные характеристики местности, зависящие от множества параметров, отдельные из которых сохраняются, значительное количество времени (рельеф), другие являются динамичными (температура, влажность воздуха, скорость ветра).

В настоящее время практика определения параметров рассеивания и оседания загрязняющих веществ базируется на определении коэффициента оседания вещества F [1]. Данный коэффициент напрямую зависит от степени дисперсности вещества [2], что в свою очередь влияет на скорость оседания и соответственно определяет значение загрязнения вблизи источника. Для веществ находящихся в газообразном состоянии значение коэффициента приравнивается 1, для тонкодисперсных аэрозолей данный параметр принимает значение: 2 – 3.

Климатически-пространственные характеристики местности также являются существенным фактором при определении рассеивания. Основным параметром, учитываемым в данных расчетах, служит значение средних температур месяца проведения расчетов. Значение температур определяется по СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика [3]. С учетом прямой зависимости степени рассеивания от градиента температур, наиболее экологически опасными являются летние месяца, поэтому расчет проводится на основании средней температуры самого теплого месяца. Исключением являются лишь предприятия теплоэнергетике, расчеты для которых проводятся, наоборот, по средним значениям самого холодного месяца, поскольку выбросы таких предприятий в данный период значительно увеличиваются.

Помимо усредненного значения температуры, также важным является вертикальное распределение температур в атмосфере. Данный параметр в расчетах учитывается через введение коэффициента температурной стратификации атмосферы. Выбор соответствующего значения коэффициента регламентируется в соответствии с ОНД-86. Диапазон значений коэффициента варьируется от 140 до 250 и имеет фиксированное значение для каждого из регионов бывшего СССР.

Кроме того к основным параметрам влияющим на распространение и рассеивание веществ является значение скорости ветра, а именно превышение в данной местности многолетних режимов в 5% случаев. Значение данного параметра или запрашивается в соответствующих управлениях Росгидромета территории или определяется по климатическому справочнику.

Таким образом, программная реализация расчета загрязнения [4,5] должна базироваться на основных климатических особенностях территории и учитывать все вышеназванные параметры.

Каждая из обозначенных фирм, изначально специализировавшихся в одной-двух областях экологических знаний, поэтапно стремилась захватить весь рынок экологических продуктов.

Фирма Интеграл являющаяся в настоящий момент лидером экологических программных продуктов разрабатывает и совершенствует программы в 7 разных областях:

акустические расчеты;

расчеты экологических платежей (серия «Экомастер»);

расчеты оценки загрязнения водных объектов;

прогнозирование последствий аварий;

расчеты загрязнения воздушного бассейна;

обращение с отходами;

автоматизация деятельности территориальных органов охраны природы и решения городских и региональных задач.

Задачи, решаемые в данных областях условно можно объединить в 2 группы: оценка текущей экологической ситуации и нормирование экологических показателей с точки зрения законодательства РФ. Кажущаяся близость решаемых задач условна. Так отсутствие адекватной системы пересмотра нормативов качества окружающей среды, нивелирует как таковую систему экологического надзора [1] и в свою очередь приводит все к большему отстранению реальных социально значимых запросов на качество окружающей среды и их формальную юридическую оценку. Интересен и поучителен опыт стран Европы и Северной Америки в оценке и пересмотре данного рода показателей [2–4]. По этой причине при рассмотрении как таковых уровней загрязнения наиболее целесообразно проводить с учетом не только норм и правил, принятых в Российской Федерации, но и практики более развитых (с точки зрения оценки экологической ситуации) стран.

Применение такого рода комбинированных средств оценки не может быть признано в качестве основных для проведения экологической экспертизы, оценки воздействия на окружающую среду и других экологических мероприятий регламентированных органами государственной власти. При этом данный подход в качестве сравнительного метода является наиболее показательным с точки зрения воспитания экологических ценностей и норм. Поэтому составление программ такого рода возможно для применения в учебной и научной отраслях.

Еще одной немаловажной причиной для разработки программных средств в области экологии является относительная монополия отдельных фирм в отдельных отраслях экологических расчетов, что в свою очередь вызывает значительное повышение цен на продукцию [5] в связи с отсутствием конкуренции.

Таким образом, пересмотр разработка и корректировка программных продуктов в сфере экологии в настоящее время является важной задачей для решения проблем будущих поколений.