631.6
68.31
35.06.01
2
6
TEC003000
When implementing long-term environmental monitoring programs, a number of problems arise related to the storage, search, processing, visualization of the data obtained, and their presentation in a form that is intuitively understandable for both specialists and ordinary users. The accumulated volume of initial data requires structured storage, special multivariate analysis to identify long-term trends and correlations, assess the danger and risks of possible negative phenomena.
database, GIS project, water objects, environmental monitoring, pollution maps, heavy metals, bottom sediments, environmental safety, increased technogenic load, structured query language, network technologies
ГИС-проект эколого-геохимического состояния водных объектов бассейна Иваньковского водохранилища представляет собой совокупность структурированных в виде SQL-таблиц данных о составе и концентрациях тяжелых металлов (кадмий, свинец, ртуть, цинк, хром, кобальт, никель, медь) и мышьяка в донных отложениях и геоинформационных слоев, включающих расположение точек отбора проб по годам и основных источников природных и техногенных опасностей с географической привязкой к местности. Определение уровня загрязнения и форм существования тяжелых металлов в донных отложениях позволяет [1]:
• оценить современный уровень загрязнения донных отложений и возможность ремобилизации из них тяжелых металлов с последующим вторичным загрязнением водной массы;
• выявить многолетнюю динамику содержания, миграции и трансформации тяжелых металлов и прогнозировать процессы самоочищения или вторичного загрязнения воды водохранилища в зависимости от меняющихся условий.
• на основании данных мониторинга (многолетних режимных наблюдений) осуществлять комплексную геоэкологическую оценку и районирование для рационального использования территории.
Проект базируется на системном подходе, экспертных и аналитических оценках, современных методах сбора, хранения и анализа информации, включает подходы, разработанные сотрудниками отдела рекультивации и охраны земель ФГБНУ «ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова» ранее в рамках научно-исследовательских работ, выполненных по оценке различных (в том числе экологических) показателей и критериальных ограничений состояния техноприродных систем [2—4].
База данных создана в СУБД MySQL 5.6.48 и состоит из 10 двухмерных таблиц, где непосредственно хранятся данные, и трех виртуальных таблиц (SQL-представлений), которые содержат выборку данных по годам для удобства работы в ГИС-проекте. Выполнено наполнение базы данных результатами проведенных сотрудниками отдела в 2020—2022 гг. полевых исследований и количественных химических анализов. Структура разработанной базы данных:
• archive — таблица предназначена для хранения отчетов НИР, статей, презентаций, монографий, диссертаций, патентов, посвященных исследованиям в пределах бассейна Иваньковского водохранилища;
• categories — информация о различных иерархических таксонах (категориях), выделенных по природно-техногенным признакам;
• greenzones — информация о природоохранных зонах (географические координаты, площадь, описание, фотографии);
• points — информация о местах отбора проб (номер точки отбора проб, географические координаты, описание, глубина, расстояние до источника загрязнения, уровень загрязнения, рассчитанный по методике игео-классов, фотография места) (рис. 1);
• redzones — информация об основных источниках загрязнения водных объектов, например Конаковская ГРЭС (географические координаты, площадь, описание, фотографии);
• roads —информация о прилегающих автомобильных дорогах и железнодорожных путях, которые являются источниками загрязнения водных объектов (географические координаты, описание, фотографии);
• tm – данные о концентрациях тяжелых металлов и мышьяка в донных отложениях. Содержимое данной таблицы присоединяется к таблице points посредством SQL-оператора JOIN; • waterstorage – сведения об исследуемом объекте – Иваньковском водохранилище и малых реках (географические координаты, площадь участка, описание, фотографии); • service_correlation – вспомогательная таблица, которая предназначена для хранения значений корреляционной зависимости между концентрациями тяжелых металлов и расстоянием до основного источника загрязнения (задел для будущих исследований); • service_distance – вспомогательная таблица, которая предназначена для хранения значений расстояний между точками отбора проб и источниками загрязнения.
Points_2020, points_2021, points_2022 – виртуальные таблицы с выборкой данных о местах отбора проб и концентрациях тяжелых металлов и мышьяка в 2020, 2021 и 2022 г.
ГИС-проект создан в свободно распространяемой многоплатформенной геоинформационной системе QGIS 3.18, которая поддерживает большое количество векторных и растровых форматов и баз данных (в том числе MySQL), а также имеет богатый набор встроенных инструментов. QGIS разработана на архитектуре с поддержкой различных модулей, что позволяет добавлять в проект множество новых возможностей или функций: от геокодирования до упрощения геометрии, интеграции с картографическими веб-сервисами и 3D-моделирования ландшафта.
На данный момент ГИС-проект расширен внешними модулями QuickMapServices, Coutour plugin, NumericalDigitize и Calculate Geometry, предоставляющими дополнительные возможности для работы с картографическими подложками, точечными, линейными и полигональными пространственными объектами.
ГИС-проект обеспечивает отображение картосхем загрязнения донных отложений тяжелыми металлами и мышьяком в разных масштабах; послойное представление информации; отображение атрибутивной информации о точках отбора проб и источниках загрязнения, которая содержится в связанных SQL-таблицах (рис. 2).
При помощи функции Действия и гиперссылок обеспечена возможность подключения облачного хранилища данных (например, Nextcloud) с фото и видеоматериалами и платформы Wiki для организации вспомогательной базы знаний.
При формировании SQL-запроса к базе данных из ГИС-проекта для полей с величинами концентраций тяжелых металлов возможно использовать знаки «меньше», «меньше, либо равно», «равно», «больше, либо равно», «больше», а также логические операторы. Например, необходимо отобразить точки отбора проб 2021 г., где концентрация цинка составляет более 500 мг/кг и одновременно в этих же пунктах концентрация мышьяка составляет более 40 мг/кг. На новом виртуальном ГИС-слое выводятся записи из базы данных, соответствующие искомым критериям, в данном случае 4 точки отбора проб с географической привязкой и желтым маркером для удобства восприятия (рис. 3). В атрибутивной таблице слоя можно выполнять фильтрацию данных и сортировку в возрастающем и убывающем порядке.
Разработанные база данных и ГИС-проект служат удобным инструментом для накопления, хранения, систематизации, поиска, анализа и визуализации данных, оценки изменения химического состава донных отложений в условиях усиления техногенной нагрузки, при этом обладают гибкостью и расширяемостью: можно детализировать информацию об объектах исследований, расширить число тяжелых металлов, добавить химический состав воды, интегрировать статистическую обработку данных с помощью программной среды вычислений R, усовершенствовать критерии поиска данных и т. д.
Создание данного ГИС-проекта является первым шагом в обеспечении открытости и доступности экологической информации о состоянии бассейна Иваньковского водохранилища, а также одним из этапов разработки информационной технологии эколого-геохимического мониторинга земель и водных объектов бассейна и водосборной территории Верхней Волги с учетом усовершенствованных принципов ведения мониторинга. В перспективе планируется дополнить данный ГИС-проект различными блоками обработки и визуализации первичных данных и создать веб-ГИС-портал с различным уровнем доступа к информации для разных категорий пользователей: лиц, принимающих решения в управленческих структурах, научных сотрудников, студентов и аспирантов, населения и т. д.
База данных и ГИС-проект могут быть использованы для проведения научных исследований, применяться в природоохранной, градостроительной и рыбохозяйственной деятельности, для оценки экологического состояния водных объектов бассейна Иваньковского водохранилища, для определения возможного ущерба водным экосистемам, для обучения студентов и аспирантов вузов сельскохозяйственного и геоэкологического профиля, повышения квалификации научного персонала и специалистов, а также в качестве ключевых компонентов соответствующей системы поддержки принятия управленческих решений [5].
В июле 2022 г. получено свидетельство (в соавторстве) о государственной регистрации базы данных «Техногенное загрязнение донных отложений водных объектов бассейна Иваньковского водохранилища» (№ 2022621871)
1. Korzhenevsky B.I., Tolkachev G.Yu., Kolomiytsev N.V. Monitoring of heavy metals and arsenic in bottom sediments of water bodies // Melioration and water management. 2019. No. 5. P. 53-56.
2. Features of pollution of bottom sediments of small rivers with heavy metals as a result of various economic activities / B.I. Korzhenevsky, G.Yu. Tolkachev, N.V. Kolomiytsev, T.A. Ilyina // News of the Nizhnevolzhsky agrouniversity complex: Science and higher professional education. 2021. No. 3(63). S. 415-426.
3. Tolkachev G.Yu., Korzhenevsky B.I. Special observations in the monitoring system of pollution of bottom sediments of water bodies with heavy metals // International Technical and Economic Journal. 2020. No. 1. P. 29-36.
4. Korzhenevsky B.I., Matveev A.V. Principles of monitoring water bodies based on the study of degradation processes // Selsky mekhanizator. 2020. No. 2. P. 10-11.
5. Kolomiytsev N.V., Korzhenevsky B.I., Matveev A.V. Principles of monitoring water bodies and modern approaches to information support for decision-making in conditions of technogenic load // Scientific and methodological support for the development of reclamation and water management complex: collection of scientific works. M.: VNIIGiM, 2020.
