УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 2 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 6 ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. МАТЕМАТИКА
BISAC TEC003000 Agriculture / General
При реализации программ многолетнего экологического мониторинга возникает целый ряд проблем, связанных с хранением, поиском, обработкой, визуализацией полученных данных, представлением их в форме, интуитивно понятной как для специалистов, так и для рядовых пользователей. Накопленный объем исходных данных требует структурированного хранения, специального многофакторного анализа для выявления долговременных трендов и корреляционных зависимостей, оценки опасности и рисков возникновения возможных негативных явлений.
база данных, ГИС-проект, водные объекты, экологический мониторинг, картосхемы загрязнений, тяжелые металлы, донные отложения, экологическая безопасность, усиление техногенной нагрузки, язык структурированных запросов, сетевые технологии
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. Корженевский Б.И., Толкачёв Г.Ю., Коломийцев Н.В. Мониторинг тяжелых металлов и мышьяка в донных отложениях водных объектов // Мелиорация и водное хозяйство. 2019. № 5. С. 53-56.
2. Особенности загрязнения донных отложений малых рек тяжелыми металлами в результате различной хозяйственной деятельности / Б.И. Корженевский, Г.Ю. Толкачев, Н.В. Коломийцев, Т.А. Ильина // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование., 2021. № 3(63). С. 415-426.
3. Толкачев Г.Ю., Корженевский Б.И. Специальные наблюдения в системе мониторинга загрязнения донных отложений водных объектов тяжелыми металлами // Международный технико-экономический журнал. 2020. № 1. С. 29-36.
4. Корженевский Б.И., Матвеев А.В. Принципы мониторинга водных объектов на основании изучения деградационных процессов // Сельский механизатор. 2020. № 2. С. 10 11.
5. Коломийцев Н.В., Корженевский Б.И., Матвеев А.В. Принципы мониторинга водных объектов и современные подходы информационного обеспечения принятия решений в условиях техногенной нагрузки // Научно-методическое обеспечение развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса: сборник научных трудов. М.: ВНИИГиМ, 2020. С. 349-358.
