Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ современного состояния проблемы оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду 14
1.1. Анализ состояния окружающей среды в нефтедобывающих районах 14
1.1.1. Факторы воздействия нефтедобычи на окружающую природную среду 14
1.1.2. Состояние загрязнения атмосферы в нефтедобывающих регионах 20
1.1.3. Влияние химического загрязнения атмосферного воздуха на растительность 23
1.2. Методические вопросы оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха
на природную среду . .30
1.2.1. Общая характеристика подходов к оценке воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду.. 30
1.2.2. Санитарно-гигиеническое нормирование.. ...36
1.2.3. Ландшафтно-геохимический подход ...37
1.3. Анализ состояния вопросов моделирования зон загрязнения атмосферного воздух 40
1.4. Постановка задач диссертационных исследований .47 ,
ГЛАВА 2. Разработка методических вопросов оценки воздействий загрязнения атмосферного воздуха на природную среду 49
2.1. Процедура оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду в рамках геоинформационного подхода 49
2.2. Процедура геоимитационного моделирования зон загрязнения 54
2.3. Обоснование выбора математической модели рассеяния для геоимитационного моделирования зон загрязнения 59
2.4. Об исследовании адекватности геоимитационной модели 62
2.5. Методика и алгоритм количественной оценки воздействия загрязнения на основе расчета площадей 64
Выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3. Программный комплекс оценки воздействия загрязнения атмосферы 67
3.1. Обобщенная структура программного комплекса 67
3.2. Выбор программной оболочки для создания комплекса 69
3.3. База данных 72
3.4. Система цифровых карт 76
3.5. Программный модуль моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха .83
3.6. Особенности программной реализации алгоритма оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду 87
Выводы по главе 3 90
ГЛАВА 4. Практическое применение результатов диссертации в задачах оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на лесоболотные комплексы западной Сибири 91
4.1. Характеристика территории для проведения исследований в зонах воздействия предприятий нефтегазодобывающего комплекса в Томской области 91
4.2. Результаты оценки воздействия загрязнения атмосферы с использованием ландшафтной карты 103
4.2.1. Анализ воздействия загрязнений атмосферы в зависимости от уровня загрязнения 103
4.2.2. Анализ воздействия загрязнений атмосферы в зависимости от объема добычи нефти 104
4.3. Результаты оценки воздействия загрязнения атмосферы с использованием космических снимков 108
4.3.1. Особенности оценки воздействия на природную среду с использованием космических снимков территории . 108
4.3.2. Результаты анализа воздействия на основе космического снимка высокого разрешения 112
4.3.3. Результаты анализа воздействия на основе космического снимка среднего разрешения 113
Выводы по главе 4 115
Заключение 116
Список литературы 117
Приложение 1 136
Приложение 2 138
- Факторы воздействия нефтедобычи на окружающую природную среду
- Процедура оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду в рамках геоинформационного подхода
- Программный модуль моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха
- Характеристика территории для проведения исследований в зонах воздействия предприятий нефтегазодобывающего комплекса в Томской области
Введение к работе
Экономический спад начала 90-х прошлого столетия и сокращение объемов нефтедобычи ослабили в нашей стране внимание к экологическим проблемам. Начавшийся в последнее время устойчивый подъем уровня нефтедобычи приводит к быстро возрастающей техногенной нагрузке на природную среду, что требует усиления экологического контроля за деятельностью предприятий нефтегазового комплекса. Реализация планов расширения нефтедобычи в освоенных районах и' освоения новых нефтеносных территорий, расширенное применение технологий повышения нефтеотдачи пластов должны быть основаны на реалистических оценках экологического воздействия на природную среду. Решение задач экологической оценки техногенных воздействий на .природную средуі в настоящее время сдерживается не только из-за практического отсутствия систем экологического мониторинга как источников оперативной /* и достоверной информации о текущем состоянии окружающей среды, но и вследствие недостаточной разработанности методологических проблем оценки влияния химического загрязнения атмосферы на окружающую природную среду.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является разработка методических вопросов количественной оценки техногенных воздействий сжигания попутного газа на нефтедобывающих предприятиях на природные экосистемы с использованием космической информации и геоинформационных технологий. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- разработка геоинформационного подхода к оценке воздействия техногенного загрязнения атмосферы на природные экосистемы, основанного на сочетании методов математического
7 моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха и пространственного анализа ландшафтной структуры территории;
разработка геоимитационной модели зоны техногенного загрязнения атмосферы для оценки воздействия сжигания попутного газа на нефтедобывающих месторождениях на природную среду с использованием геоинформационного подхода;
разработка комплекса программ оценки воздействия загрязнения атмосферы в результате сжигания попутного газа на природные
экосистемы в средеГИС; .-;;. '.-: "... -.
- создание базы данных о загрязнении атмосферного воздуха и
состоянии окружающей среды и проведение количественной
оценки техногенного воздействия загрязнения атмосферы: на
окружающую природную среду на примере нефтедобывающих
предприятий Западной Сибири.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе были использованы методы ландшафтоведения, методы имитационного моделирования, методы геоинформатики и статистического анализа.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
Разработана методика количественной оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха в результате сжигания попутного газа на природную среду с использованием космических снимков на основе сочетания методов математического моделирования и пространственного анализа с использованием ГИС.
Разработана геоинформационно-моделирующая система оценки воздействия сжигания попутного газа на нефтяных месторождениях на природную среду.
8 Практическая ценность. Основными практическими результатами диссертационной работы являются следующие:
Программный комплекс геоинформационно-моделирующей системы для оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду.
Полученные количественные оценки воздействия загрязнения атмосферы, связанного со сжиганием попутного газа на месторождениях, на лесоболотные комплексы нефтедобывающих районов Западной Сибири.
Защищаемые положения:
Методика на основе сочетания методов математического моделирования и пространственного анализа с использованием ГИС позволяет получать количественные оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду в виде площадей ландшафтных выделов, попадающих \ в зоны загрязнения.
Геоинформационно-моделирующая система оценки воздействия сжигания попутного газа на нефтедобывающих предприятиях на природную среду.
Количественные оценки воздействия загрязнения атмосферы на лесоболотные комплексы с использованием ландшафтных карт, космических снимков и наземных дянных, включенных в экологические паспорта нефтедобывающих предприятий Западной Сибири.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами работы Института химии нефти Сибирского отделения Российской Академии Наук (СО РАН): при выполнении госбюджетных проектов «Разработка геоинформационной системы моделирования и прогноза состояния окружающей среды в нефтедобывающих регионах» (№ гос. регистрации
9 01.960.007570, 1996-2000 г.) по программе СО РАН "Математическое моделирование, информационные технологии и вычислительная техника", «Формирование баз данных и разработка ГИС региональных проблем окружающей среды и устойчивого развития» (№ гос. регистрации 01.20.0011859, 2001-2003 г.) по программе СО РАН «Химия окружающей среды, в том числе атмосферы и океана» и с 2004 г. - в рамках госбюджетного проекта «Научные основы получения и применения новых материалов для решения экологических и ресурсосберегающих проблем нефтегазового комплекса» (№ гос. регистрации 0120.0404460, 2000-2003 г.) по программе СО РАН «Защита атмосферы, природных вод и почв», по хозяйственному-договору с Восточной нефтяной компанией (ВНК) «Анализ экологического состояния и разработка рекомендаций . по охране окружающей среды на территории ВНК и выбору природоохранных' технологий», по интеграционным проектам СО РАН № 64 «Аэрозоли Сибири», №169 «Аэрозоли Сибири-2. Гетерогенная химия и' физика атмосферы. Влияние атмосферных аэрозолей на биогеохимические циклы» и при поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 98-05-03174 «Разработка геоинформационной методологии экологического прогноза для мониторинга воздействия нефтегазодобычи на состояние экосистем таежной зоны Западной Сибири» (р98сибирь) и № 03-05-96829 «Разработка методологии комплексного мониторинга состояния лесов Среднего Приобья с использованием космических и геоинформационных технологий» (р2003югра), Программы ИНТАС (проект АТМОС, контракт INTAS-00-189).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях и симпозиумах, в том числе на VI, VII, VIII, IX Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана» (Томск, 1999 и 2000 гг., Иркутск, 2001, Томск,
10
2002 г.), И Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация
окружающей среды» (Томск, 2000), на 4-й и 5-ой Международных
конференциях "Химия нефти и газа" (Томск, 2000 и 2003 гг.), II Совещании
«Экология пойм сибирских рек и Арктики» (Томск, 2000 г.), IV
Международном симпозиуме по проблемам экоинформатики (Москва, 2000
г.), на Международной конференции ESFEA -2001 «Экология Сибири,
Дальнего Востока и Арктики» (Томск, 2001 г.), на Международной
конференции «Современные проблемы информационных технологий и
комический мониторинг» (Ханты-Мансийск, 2001 т.), на IX Международной
конференции IBFRA (Красноярск, 2002 г.), на совещаниях 8-й, 9-й и 10-й
Рабочих групп «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2001, 2002, 2003),
«Лесопользование, экология и охрана лесов: фундаментальные и прикладные
аспекты» (Томск, 2005 г.). -
Личный вклад соискателя. Результаты, изложенные в диссертации, получены либо лично автором, либо при его участии на всех этапах решения поставленной задачи.
Для разработки методических вопросов оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду использовалась идея, изложенная в работах Ю.М. Полищука [1,2], а лично автором диссертации разработаны методические и алгоритмические вопросы реализации геоинформационного подхода к оценке воздействия сжигания попутного газа на природную среду в нефтедобывающих территориях Западной Сибири.
Лично автором разработан и программно реализован алгоритм количественной оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха в результате сжигания попутного газа на природную среду.
11 3) Лично автором создана геоинформационно-моделирующая система для экологической оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду и получены количественные оценки воздействия с использованием космических снимков и наземных данных из экологических паспортов нефтедобывающих предприятий.
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 44 печатных работах, из них 13 статей в центральных отечественных и зарубежных журналах, аналитический обзор ГПНТБ СО РАН и получено свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из основной части, включающей в себя введение, четыре главы и заключение на 139,страницах, списка используемой литературы из 161 наименования и двух приложений. Работа иллюстрируется 35 рисунками и 8 таблицами.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель работы, научная новизна, практическая ценность и характеристика полученных в работе результатов.
В первой главе диссертации на основе анализа литературных данных показано, что загрязнение атмосферного воздуха на территории нефтедобычи в результате сжигания попутного газа на факельных установках является одним из наиболее существенных факторов воздействия нефтедобывающих предприятий на лесоболотные комплексы Западной Сибири.
В связи с тем, что в настоящее время интенсивная добыча нефти ведется в зоне наиболее продуктивных лесных комплексов, проведен анализ
12 литературы о влиянии химического загрязнения атмосферного воздуха на древесную растительность.
Проведен анализ методов, используемых для оценки воздействия загрязнения атмосферы на природную среду. Рассмотрены компьютерные средства для моделирования процессов рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере, основанные на применении методики ОНД-86.
Сформулирована цель диссертационной работы и основные задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.
Во второй главе излагаются методические вопросы разработки геоинформационного подхода к оценке воздействия загрязнения атмосферы на природную среду. Описываются разработанные алгоритмы геоимитационного моделирования зон загрязнения атмосферы с использованием ГИС и количественной оценки воздействия атмосферного . загрязнения на природную среду.
В третьей главе рассматриваются вопросы программной реализации
предложенных в диссертационной работе алгоритмов, на основе которых была реализован программный комплекс оценки воздействия атмосферного загрязнения на окружающую среду. Описана структура геоинформационно-моделирующей системы, включающей программное обеспечение ГИС, базу данных, систему цифровых карт, модуль моделирования рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере.
В четвёртой главе приведены примеры использования разработанного геоинформационного подхода в задачах оценки воздействия загрязнения атмосферы, связанного с факельным сжиганием попутного газа, на лесные комплексы нефтедобывающих территорий Западной Сибири при выполнении конкретных проектов.
В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертации.
13 В приложении 1 представлены акты и справки о практическом
применении результатов диссертации.
В приложении 2 представлено свидетельство об официальной
регистрации компьютерной программы.
Факторы воздействия нефтедобычи на окружающую природную среду
Западная Сибирь, являющаяся главной нефтедобывающей провинцией России, содержит более 70 % углеводородных ресурсов страны и обеспечивает 2/3 годовой добычи нефти в стране.
В настоящее время большая часть нефтяного ресурсного потенциала страны сосредоточена в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО), доля которого в 1978 г. составила 57 %. По оценкам геологов доля ХМАО в ресурсном потенциале страны до 2030 г. сохранится на уровне 55-60 % [3], а запасы нефти на территории округа оцениваются величиной 35 - 40 млрд. т. Добыча нефти в Западной Сибири осуществляется с 60-х годов прошлого века. Вследствие интенсивной промышленной эксплуатации нефтяных ресурсов нефтедобывающий комплекс Западной Сибири оказывает существенное воздействие на окружающую природную среду [4, 5].
Согласно учетным данным Государственного баланса в ХМАО открыто 378 месторождений. На территории ХМАО имеется 276 промысловых объектов сбора и транспорта нефти, более 6 тысяч км межпромысловых нефтепроводов и 6280 км магистральных нефтепроводов. Общая протяженность автодорог превышает 13000 км, из которых 8750 км автодорог с твердым покрытием [3]. Важными нефтедобывающими регионами в Западной Сибири являются также Ямало-Ненецкий автономный округ и Томская область. Так, в Томской области к 1996 году было открыто 101 месторождение углеводородов, из них 82 - нефтяных, запасы нефти в которых оценивались в 780 млн. тонн. В этот период на 20 месторождениях производилась добыча нефти. Доля нефтедобывающей отрасли в структуре промышленного производства Томской области составляла по состоянию на 1999 г. около 30 %. Уровень утилизации попутного газа на месторождениях очень низкий, а на мелких месторождениях утилизация не проводится. В 2002 году зарегистрировано 128 аварий на объектах нефтегазодобывающего комплекса Томской области. Основными причинами аварийных ситуаций являются порывы на нефтепроводах и водоводах с высокоминерализованными сеноманскими водами, а также утечки нефти на промыслах и разливы из шламовых амбаров [6, 7].
Таким образом, на экологическое состояние целых регионов Западной Сибири непосредственное влияние оказывают разведка, ; добыча, транспортировка и переработка нефти и газа. Анализ состояния окружающей среды на территориях деятельности нефтегазового комплекса показывает. [8-11], что факторы воздействия нефтедобычи на природную среду можно разделить на три основные группы: 1) механические воздействия на земную поверхность; 2) геодинамические воздействия; 3) химическое загрязнение. К первой группе факторов воздействия нефтедобычи относятся нарушающие поверхность механические воздействия, связанные со строительством автодорог, поселков и коммуникаций, с обустройством месторождений (возведение буровых установок, прокладка трубопроводов), с проведением линий электропередачи и перемещением тягачей и другой тяжелой транспортной техники в условиях лесоболотного бездорожья. Масштабы нарушений в этих случаях зависят от размера и назначения возводимых объектов, а также от ранимости природной среды в различных лесоболотных комплексах [8, 9]. Нарушение почвенно-растительного покрова, обладающего высокой чувствительностыо к антропогенным факторам нефтегазового строительства, приводят к частичному или полному исключению земель из хозяйственного использования [10]. Нефтяные месторождения Западной Сибири расположены в основном в центральной части Западно-Сибирской равнины, основными составляющими ландшафта которой являются болота и леса. Заболоченность этой территории, относящейся к зоне выпуклых олиготрофных болот, составляет в среднем 40 %, увеличиваясь в отдельных местах до 70 %. Здесь расположены крупнейшие в мире болотные системы, например, Васюганское болото размером около 50 тыс. кв. км [11].
В [12] на примере Томской области исследована устойчивость земной, поверхности к механическим воздействиям. Показано, что по мере увеличения индекса гидроморфности территории (отношение-избыточно увлажненных территорий к площади района) устойчивость территории снижается. Предприятия нефтедобычи в Западной Сибири часто располагаются в районах с низкой и очень низкой степенью устойчивости, как это, например, видно из рис. 1.1, где показаны нефтяные месторождения и зоны различной степени устойчивости, определенные с использованием данных из [12]. Это обстоятельство . необходимо учитывать как при разработке проектов обустройства месторождений, так и при планировании природоохранных мероприятий на территории деятельности Западно-Сибирского нефтедобывающего комплекса.
Другим проявлением механических воздействий является изменение гидрологического режима в результате строительства автомобильных дорог и других линейных объектов [13]. Являясь объектами геологической среды, насыпные автодороги оказывают воздействие в течение длительных периодов времени и нарушают процессы поверхностного и болотного стока влаги. Возможное при этом подтопление лесных массивов приводит к массовой гибели древостоев и формированию лесоболотных и болотных сообществ [14]. Нарушение водного режима вследствие уплотнения деятельного слоя торфяных залежей также влечет за собой изменение в растительном покрове [15].
Последствия механических воздействий на болотные экосистемы, которые хотя и являются менее устойчивыми к нагрузкам, не всегда могут быть рассмотрены однозначно как отрицательные. При засыпке песком и прокладке трубопроводов болота часто замещаются лесными сообществами, которые могут оказаться более ценными с экологической точки зрения [11, 14]. С другой стороны, распады и деградации болотно-озерных систем могут быть крайне неблагоприятными и опасными с точки зрения охраны водных ресурсов и предупреждения необратимых процессов в ухудшении ландшафтной среды. К числу последних следует отнести потенциальную возможность изменения теплового режима северных территории при массовом осушении болотно-озерных систем (например, в Сургутском Полесье) и реальную опасность возникновения прогрессирующего процесса образования вечной мерзлоты на территории с отрицательными среднегодовыми температурами.
Процедура оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду в рамках геоинформационного подхода
Оценка воздействия загрязнения атмосферного воздуха с использованием ландшафтно-геохимического подхода для обширных по площади территорий требует больших затрат.
В современной природоохранной практике оценка воздействий техногенного загрязнения атмосферы на природную среду основывается на использовании санитарно-гигиенических нормативов [8, 71-73]. В.основе санитарно-гигиенического нормирования лежит понятие предельно допустимой концентрации. ПДК - нормативы, устанавливающие концентрации вредного вещества в единице объема (воздуха, воды), массы (пищевых продуктов, почвы) или поверхности (кожа работающих), которые при воздействии за определенный промежуток времени практически не влияют на здоровье человека и не вызывают неблагоприятных последствий у его потомства. Как видно, санитарно-гигиенические нормативы ориентированы в основном на защиту человека.
При оценке воздействий на окружающую природную среду при экспертизе проектов строительства в качестве пороговой концентрации загрязняющей примеси принимают значение 0,05 от величины ПДК [73]. Такой формальный подход к оценке воздействий на природную среду с ее совокупным биоразнообразием не учитывает реакцию живых организмов на загрязнение воздушной среды.
Кроме рассмотренных выше контактных методов наземных исследований в последнее время при решении экологических проблем применяются методы дистанционного зондирования Земли [74]. Дистанционный мониторинг состояния окружающей среды на основе космических снимков позволяет выявлять очаги атмосферного загрязнения, районы выпадения загрязняющих веществ, а также экосистемы, трансформированные в результате антропогенного воздействия [75-77].
В [78] авторы отмечают высокий уровень корреляции между выявленными по космическим снимкам зонами деградации притундровои растительности в результате воздействия загрязнения атмосферного воздуха в районе Норильского горно-металлургического комбината и результатами наземных обследований этой территории. Космические снимки являются наиболее быстрым и относительно дешевым путем получения оперативной и: точной информации о состоянии наземных экосистем. Однако дистанционные методы для оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду не могут применяться без наземных данных,-которые зачастую невозможно получить ввиду труднодоступное заболоченных территорий, какими являются территории нефтедобычи Западной Сибири. Недостатком космического мониторинга является то, что оценка результатов воздействия загрязнения атмосферы на лесные экосистемы возможна, когда в растительных сообществах уже произошли определенные негативные изменения. Кроме того, в [79] отмечается, что переизбыток или недостаток влаги, солнечные ожоги, воздействие низких или высоких температур, применение пестицидов, насекомые-вредители и другие факторы могут вызывать у растений изменения, напоминающие повреждения, наносимые загрязняющими атмосферу веществами. Таким образом, перечисленные выше методы не отвечают в полной мере задачам оценки воздействия загрязнения атмосферного воздуха на природную среду либо вследствие недостаточной разработанности, либо из-за необходимости проведения дорогостоящих и продолжительных по времени исследований. Далее рассмотрим более подробно наиболее перспективные для дальнейшего использования в диссертационной работе санитарно-гигиенический и ландшафтно-геохимический подходы. Санитарно-гигиеническое нормирование является одним из наиболее разработанных методов оценки воздействия загрязнения атмосферы на окружающую среду, хотя оно и ориентировано в первую очередь на защиту человека. Нормативами качества воздуха определены допустимые пределы , содержания вредных веществ в производственной зоне, предназначенной для .-размещения промышленных предприятий, опытных производств научно ; г исследовательских институтов и т.п., и в селитебной зоне, предназначенной для размещения жилого фонда, общественных зданий и сооружений населенных пунктов. Основные термины и определения, касающиеся показателей загрязнения атмосферы, программ наблюдения, поведения ,; примесей в атмосферном воздухе определены ГОСТом 17.2.1.03-84. Охрана : природы. Атмосфера. Термины и определения контроля загрязнения. Предельно допустимая концентрация вредного вещества в воздухе рабочей зоны (ПДКрз) — концентрация, которая при ежедневной (кроме выходных дней) работе в течение 8 часов, или при другой продолжительности, но не более 41 часа в неделю, на протяжении всего рабочего стажа не должна вызывать заболевания или отклонения в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследования, в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующего поколений. Рабочей зоной следует считать пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площади, на которой находятся места постоянного или временного пребывания рабочих. Как следует из определения, ПДКрз представляет собой норматив, ограничивающий воздействие вредного вещества на взрослую работоспособную часть населения в течение периода времени, установленного трудовым законодательством. Совершенно недопустимо сравнивать уровни загрязнения селитебной зоны с установленными ПДКрз, а также говорить о ПДК в воздухе вообще, не уточняя, о каком нормативе идет речь.
Программный модуль моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха
Существующие ГИС не имеют в своём составе средств, необходимых для математического моделирования рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере и определения зон загрязнения. Поэтому был разработан программный комплекс моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха и процедура взаимодействия ГИС со средствами моделирования. Структура программного комплекса представлена на рис. 3.11.
Комплекс функционирует в среде ГИС Arc View 3.x и предназначен для проведения компьютерных экспериментов на модели с целью оценки воздействия загрязнений атмосферного воздуха на компоненты ландшафтной среды. Программный комплекс позволяет определять зоны загрязнения атмосферного воздуха, как показано в разделе 2.2, путем моделирования рассеяния ЗВ в атмосфере для различных уровней их концентрации (в долях ПДК).
Из рис. 3.11 видно, что важной компонентой программного комплекса является Модуль интерфейсов, обеспечивающий взаимодействие Комплекса программ моделирования зон загрязнения, состоящего из Модуля моделирования; рассеяния загрязняющих веществ и { Модуля определения границ зон загрязнения атмосферного воздуха, с Цифровой картой и Базой данных и предназначенный для обмена информацией между этими компонентами ГИМС. Интерфейс связи с цифровой картой служит для получения информации о месторасположении источников выбросов загрязняющих веществ, подготовки начальных данных для моделирования рассеяния ЗВ в атмосфере и отображения результатов моделирования зон загрязнения. На рис. 3.12 показано диалоговое окно для выбора источников загрязнения атмосферного воздуха, для которых будут производиться расчеты. Интерфейс связи с базой данных предназначен для передачи в Модуль моделирования рассеяния хранящихся в Базе данных параметров источников загрязнения атмосферного воздуха, количественных данных о выбросах загрязняющих веществ, параметров загрязняющих веществ и данных о розе ветров. На рис. 3.13 приведено диалоговое окно, в котором отображаются данные, полученные из базы данных для выбранных на предыдущем этапе источников загрязнения атмосферы и предоставляется возможность задать прогнозное изменение объемов добычи.
Модуль моделирования рассеяния загрязняющих веществ в атмосфере позволяет получить значение концентрации загрязняющих веществ в произвольных точках территории в зависимости от параметров источника загрязнения. Для определения зон загрязнения атмосферного воздуха необходимо определить концентрации загрязнителей для множества точек исследуемой территории. Для этого территория разбивается регулярной прямоугольной пространственной сеткой на ячейки с размерами, зависящими от выбранного масштаба представления карты. Моделирование рассеяния загрязняющих:веществ в атмосферном воздухе проводится для каждого вещества и каждого источника выбросов во всех узлах сетки.
Модуль определения границ зоны загрязнения предназначен для отображения зоны на цифровой карте. При определении границ зон загрязнения используется математический аппарат сплайнов [101, 117, 119]. Программный комплекс моделирования зон загрязнения атмосферного воздуха выполнен в виде динамической библиотеки. В штатном программном обеспечении геоинформационных систем нет готовых программ определения площадей пересечения перекрывающихся полигональных объектов, относящихся к разным тематическим слоям цифровой карты. Для решения этой проблемы в соответствии с изложенной выше в разделе 2 методологией была разработана специальная программа, реализованная в среде Arc View .3.1. [120]. Рабочий вид проекта для расчета относительных площадей загрязненных ландшафтных выделов в Arc View должен .содержать следующие тематические слои: - зоны загрязнения; - слой, содержащий ландшафтный выдел определенного типа; - общая территория исследуемого участка. Расчет относительных площадей загрязненных ландшафтных выделов проводится в последовательности следующих этапов: - определение площади ландшафтного выдела; - слияние тематических слоев «Зона загрязнения» и «Ландшафтный выдел»; - пересечение полигонов, относящихся к зоне загрязнения и к ландшафтному выделу; - определение площади пересечения полигонов; - расчет относительной площади выдела, попадающего в зону загрязнения атмосферного воздуха; - отображение части выдела, попадающего в зону загрязнения атмосферного воздуха, на карте в виде нового слоя. Алгоритм оценки относительных площадей ландшафтных выделов, попадающих в зону загрязнения, описанный в разделе 2.5, реализован [120] на языке программирования Avenue [ 123]. После построения зон загрязнения пользователь в интерактивном режиме должен выбрать тематический слой, содержащий интересующую его зону загрязнения и тематические слои, содержащие ландшафтные выделы, для которых пользователь хочет произвести расчеты, затем запустить программу расчета относительных площадей. На рис. 3.14 для иллюстрации приведено диалоговое окно для выбора тематических слоев, содержащих ландшафтные выделы.
Характеристика территории для проведения исследований в зонах воздействия предприятий нефтегазодобывающего комплекса в Томской области
Проект РФФИ № 03-05-96829 «Разработка методологии комплексного мониторинга состояния лесов Среднего Приобья с использованием космических и геоинформационных технологий» (2003-2004 г.) направлен на решение фундаментальной проблемы, связанной с использованием космических методов в мониторинге состояния лесов. В рамках проекта разработана геоинформационная методология мониторинга воздействия нефтедобычи на состояние лесов с использованием космоснимков и наземных исследований. Проект выполнялся совместно с сотрудниками Томского филиала Института леса им. Сукачева СО РАН и Югорского научно-исследовательского института информационных технологий.
Ниже приводятся некоторые оценки объемов выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду, полученные на основе данных об объемах выбросов из экологических паспортов ряда нефтяных месторождений Томской области, сосредоточенных в трех основных нефтедобывающих районах, в которых размещены группы месторождений, называемые далее Васюганская, Стрежевская и Южная группы месторождений (рис. 4.1).
Для экологической оценки воздействий загрязнения атмосферного воздуха на природную среду использованы данные о выбросах в атмосферу четырех основных загрязнителей: углеводородов, сажи, оксида углерода и диоксида азота. Практически на всех действующих предприятиях нефтедобычи отсутствуют пыле-газоулавливающее оборудование и установки по улавливанию легколетучих углеводородов. Это объясняет большие величины удельных выбросов загрязняющих веществ (отношение объема выбросов к общему объему добычи) в атмосферу на территории нефтегазового комплекса [126]. В табл. 4.1 приведены данные об объемах выбросов в атмосферу на территории Васюганской, Стрежевской и Южной группы месторождений в Томской области.
Согласно программы развития добычи нефти, в период 1995 - 2000 гг. добыча нефти на Игольско-Таловом месторождении возрастала и может достигнуть 1850 тыс. тонн, при этом объемы добычи нефти на месторождениях Васюганской группы будут в среднем сокращены на 50 %. В 55 км северо-западнее Игольёско-Талового месторождения расположено перспективное Крапивинское месторождение, находящееся в опытной эксплуатации, на котором по прогнозу на период 2005-2010 гг. будут « добываться более 2000 тыс. тонн нефти в год. Таким образом, в эти годы, согласно прогнозам добычи нефти, юго-западная часть территории Томской области будет подвергаться наибольшему антропогенному воздействию с точки зрения загрязнения атмосферного воздуха.
Для проведения исследований была выбрана территория в юго-восточной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции в пределах Васюганской группы (Первомайское, Оленье, Ломовое, Западно-Катыльгинское, Катыльгинское и Лонтынь-Яхское) нефтяных месторождений Томской области [58]. Этот участок территории, называемый далее ключевым участком (КУ), характеризуется высокой гидроморфностью, низкими значениями биоклиматического потенциала, слабой устойчивостью экосистем к внешним воздействиям и слабой восстановительной способностью. Ландшафтная структура территории КУ сформирована прогрессирующим болотообразованием в центральной части водораздельных равнин и дренирующей деятельностью немногочисленных рек и ручьев. На территории ключевого участка площадью 12,8 тыс. кв. км выделяется всего три типа природных комплексов: болота, заболоченные и автоморфные леса. Болотные ландшафты занимают более 45 % площади ключевого участка. В основном это крупные верховые болота, сливающиеся в один массив. Окраины массивов заняты переходными болотами, а низинные болота небольшими контурами приурочены к долинам рек. Мощность торфяной залежи достигает 8-9 м. Для всех типов болот характерна высокая обводненность, отсутствие выраженного поверхностного стока и слабая несущая способность грунтов. Заболоченные леса приурочены к широким окраинам болотных массивов, занимают до 25 % площади (по ключевому участку) и представлены в основном сосновыми, сосново-кедровыми и кедровыми сфагновыми типами леса. Эти урочища имеют сложную, часто мозаичную структуру, определяемую взаимопроникновением лесных и болотных ландшафтных выделов. Из-за частых пожаров до 60 % площади коренных гидроморфных лесов занято вторичными мелколиственными лесами и молодняками. Автоморфные коренные мелколиственно-темнохвойные (чаще березовые и березово-кедровые) леса приурочены к наиболее дренированным поверхностям - берегам рек и также сильно трансформированы пожарами и хозяйственной деятельностью человека. . На территории КУ функционируют в настоящее время несколько месторождений. За время эксплуатации самого крупного на территории КУ Первомайского месторождения уже произошли существенные изменения в ландшафтно-геохимической обстановке. Как в водах, так и в почвах в зоне воздействия этого месторождения возросло содержание опасных для биоты веществ. Содержание в почвах тяжелых металлов и нефтепродуктов превышает фоновые значения. Как в основном производстве (кустовые площадки, трубопроводы, факелы и печи) на всех месторождениях, так и в условиях вспомогательных производств (котельные, сварочные посты, ремонтные мастерские и автостоянки) перечни выбрасываемых в воздух и сбрасываемых в водоемы и на рельеф загрязняющих химических веществ обширны. Так, по данным экологических паспортов месторождений на территории нефтедобычи Томской области в атмосферу выбрасываются следующие загрязняющие вещества: сажа, УВ, оксиды азота и углерода, диоксиды азота и серы, марганец и его соединения, соединения кремния, фториды и др. При этом основными источниками загрязнения атмосферного воздуха при добыче нефти являются факелы для сжигания попутного газа.
Карта ландшафтной структуры ключевого участка [58] приведена на рис. 4.2. На карте представлены наиболее характерные для таежной зоны Западной Сибири типы природных выделов [128] - сосновые и темнохвойно-мелколиственные леса, верховые, переходные и низинные болота, а также обозначены места расположения факельных установок на эксплуатируемых месторождениях. Для иллюстрации на ландшафтную карту нанесены контуры зон загрязнения атмосферного воздуха, рассчитанных для факелов на пяти месторождениях Васюганской группы. Зоны загрязнения на рис. 4.2 определены по реальным данным об объемах выбросов диоксида азота. Граница каждой зоны устанавливается по значению концентрации диоксида азота в атмосфере, составляющей 0,1 от величины ПДК.
Похожие диссертации на Оценка воздействия факельного сжигания попутного газа на нефтедобывающих предприятиях на природную среду таежной зоны Сибири
