Integration of geoelectric methods and remote sensing in assessing the environment state in the area of impact of ecologically hazardous objects

Texto integral

Введение

Химическое производство является мощным источником воздействия на компоненты окружающей среды: атмосферный воздух, растительность, почвы, грунты, поверхностные и подземные воды. Оценка состояния окружающей среды, как правило, производится по отдельным компонентам, при этом основное внимание уделяется воздушному бассейну и поверхностным водам. Изучение геологической среды, как правило, ограничивается локальным мониторингом подземных вод в нескольких скважинах, разбросанных на площади в несколько км². Как следствие имеющаяся система экологической оценки дает разрозненную и неполную информацию о распространении химического загрязнения в окружающей среде. Поэтому актуальным является поиск рационального комплекса методов, который позволит оперативно получать информацию о состоянии как земной поверхности, так и геологической среды (т. е. обоснование сочетания методов, обеспечивающих надежное решение поставленной задачи в случае определенного типа объектов в конкретных геологических условиях).

Эффективным методом изучения химического загрязнения являются геоэлектрические исследования (электроразведка), основанные на взаимосвязи между удельным электрическим сопротивлением и содержанием растворенных солей в воде [1, 2]. Имеются многочисленные примеры успешного решения методами электроразведки задач по оценке и картографированию загрязнения подземных вод, засоления почв, выявлению утечек стоков из шламохранилищ и т. д. [3–15].

Использование электроразведки позволяет осуществлять непрерывные площадные наблюдения при относительно низкой стоимости работ, без бурения скважин и нарушения растительного покрова и почв горными выработками.

Однако недостатком геоэлектрических методов является неоднозначность их интерпретации, поскольку удельное электрическое сопротивление зависит от многих факторов. Для повышения эффективности применения электроразведки при изучении химического загрязнения нами предложено использовать ее в комплексе с дистанционными методами [16]. Наиболее важным экологическим индикатором выступают вегетационные индексы, рассчитываемые на основе многозональной космической съемки и отражающие состояние растительного покрова [17–22].

Цель исследований – оценка химического загрязнения окружающей среды в зонах влияния техногенных объектов на основе сопряженного использования космической съемки и наземных геоэлектрических методов. При этом решались следующие задачи: выделение техногенных модификаций геосистем, соответствующих определенным уровням загрязнения; оценка химического загрязнения почв и поверхностных вод; изучение распространения загрязнения по вертикали, в подземных водах; выяснение механизмов распространения загрязнения в геологической среде.

Объекты исследования

Район исследований находится на юго-востоке Беларуси. Для геологического строения характерен сплошной чехол четвертичных отложений, имеющих мощность в среднем 20‒25 м. В разрезе представлены: нерасчлененный комплекс водноледниковых отложений березинско-припятского (среднеплейстоценового) возраста (вскрывается на глубинах 4–18 м, имеет мощность 5–15 м, подстилается отложениями палеогена, перекрывается припятской мореной, представлен мелко- и тонкозернистыми песками); моренные отложения припятского горизонта (залегают на глубинах 1–17 м, имеют мощность 3,5–16 м, сложены супесями и суглинками с включениями гравия и гальки); водно-ледниковые надморенные отложения припятского горизонта (залегают с поверхности, имеют мощность 0,8–12 м, сложены мелко- и тонкозернистыми пескам, с прослоями пылеватых супесей, реже суглинков); аллювиальные отложения второй надпойменной террасы позднеплейстоценового возраста (залегают с поверхности, характеризуются мощностью 1–11 м, сложены песками различного гранулометрического состава).

Зона активного водообмена (мощность 260–280 м) включает пять водоносных горизонтов: безнапорный грунтовый горизонт, приуроченный к водноледниковым отложениям припятского горизонта и отложениям второй надпойменной террасы рек Уза и Сож; напорный горизонт, приуроченный к нерасчлененным водно-ледниковым отложениям березинско-припятского возраста (подморенный); напорный горизонт, приуроченный к отложениям харьковского яруса палеогена (палеогеновый); напорный горизонт верхнемеловых отложений (турон-маастрихский); напорный горизонт пограничный между верхним и нижним отделами меловой системы (апт-нижнесеноманский).

Объекты исследования связаны с крупнейшим в Беларуси предприятием химической промышленности, производящим более 20 видов химической продукции (серная и фосфорная кислоты, аммофос, суперфосфат, азотно-фосфорно-калийные удобрения, фтористый алюминий и т. д.). Промышленный комплекс состоит из основных и вспомогательных производств, включает систему из наземных и подземных коммуникаций и продуктопроводов, складов технического сырья и готовой продукции, станций нейтрализации, прудов-отстойников, шламонакопителей и полигона твердых отходов. В ходе производства фосфорных удобрений применяется сернокислая обработка фосфатов, при которой в качестве твердого отхода образуется фосфогипс – сульфат кальция с примесью фосфатов. Фосфогипсовые отходы складируются на территории специального полигона (накоплено более 17 млн т, занимающих территорию около 100 га). Отвалы фосфогипса являются постоянно действующим источником поступления загрязняющих веществ в поверхностные и грунтовые воды, почвогрунты, причиной деградации растительного покрова и т. д. [3, 21]. В поверхностных водах на территории отвалов минерализация достигает 10–20 г/дм³, содержание сульфат-иона – 1–6 г/дм³, фосфора фосфатного – 1–5 г/дм³, иона-фтора – 0,5–1,5 г/дм³. Грунтовые воды в зоне влияния отвалов также загрязнены сульфат-ионом, фосфором фосфатным, ионами железа, фтора, аммония. Минерализация грунтовых вод составляет до 10–20 г/дм³ [23].

Ряд источников загрязнения находится в пределах промышленной площадки предприятия. Из них наиболее экологически опасным является склад серы. Механизм формирования загрязнения в этом случае связан с окислением элементарной серы, складируемой на открытой площадке, микроорганизмами.

Методика исследования

Методика исследования включала:

• обработку и анализ космических многозональных снимков (спутники Sentinel-2), расчет вегетационных индексов, характеризующих состояние растительного покрова (NDVI, NBR, SWVI);
• резистивиметрию поверхностных вод (в лужах и канавах);
• съемку методом потенциала естественного электрического поля (ЕЭП) с шагом между точками наблюдения 10 м;
• вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) методом сопротивлений на постоянном токе (размеры питающих линий АВ от 3 до 300 м, приемных линий MN – от 1 до 20 м, расстояние между точками наблюдения – 100 м).

По данным космической съемки выделялись техногенные модификации геосистем, характеризующие различные уровни химического загрязнения (ТМ-1, ТМ-2 и фоновая геосистема). Геоэлектрические исследования для оценки распространения загрязнения в глубину выполнялись в пределах ареалов выделенных техногенных модификаций.

В работе использованы данные спутников Sentinel-2, осуществляющих мультиспектральную съемку в 13 каналах, охватывающих диапазон от 433 до 2280 нанометров. Пространственное разрешение съемки в зависимости от канала – 10‒60 м. В частности, каналы B02 (голубой), B03 (зеленый), B04 (красный), B08 (ближний инфракрасный) имеют разрешение 10 м; каналы B11 и B12 (коротковолновые) – 20 м. Ширина полосы захвата – 290 км. Периодичность съемки – 2‒3 дня. На основе съемки по формулам, приведенным в табл. 1, рассчитывались вегетационные индексы.

Таблица 1. Формулы расчета вегетационных индексов

Table 1. Formulas for calculating vegetation indices

Примечание/Note. Каналы спутника Sentinel-2: NIR – ближний инфракрасный; R – красный; SWIR2 – второй коротковолновой инфракрасный; SWIR1 – первый коротковолновой инфракрасный/Sentinel-2 satellite channels: NIR – near infrared; R – red; SWIR2 – second shortwave infrared; SWIR1– first shortwave infrared.

Для проведения геоэлектрических работ использована электроразведочная аппаратура ERA-MAX. Для съемки методом ЕЭП применены неполяризующиеся электроды системы ВИРГ [1, 24]. Для определения минерализации вод использован портативный резистивиметр, измеряющий удельную электрическую проводимость и соответствующую ей минерализацию воды (в мг/дм³). Интерпретация данных ВЭЗ проводилась с помощью программы IPI2Win [24]. Интерполяции и построение карт потенциала ЕЭП в изолиниях – Golden Software Surfer. Для обработки и атмосферной коррекции космических снимков, расчета вегетационных индексов, выделения ареалов техногенных модификаций использована геоинформационная система QGIS. Для статистической обработки – программы MC Excel и STATISTICA.

Результаты и их обсуждение

Отвалы фосфогипса

В зоне влияния отвалов фосфогипса (рис. 1) образовались техногенные модификации (ТМ) исходной луговой геосистемы (луг разнотравно-злаковый на дерновых песчаных почвах), которые различаются по степени повреждения растительного покрова:

Рис. 1. Отвалы фосфогипса и их зона влияния

Fig. 1. Phosphogypsum dumps and their impact zone

• ТМ-2 – участок с мозаичным тростниково-березовым фитоценозом;
• ТМ-1 – участок, полностью лишенный растительного покрова.

Образование техногенных модификаций вызвано воздействием загрязнения от отвалов фосфогипса по направлению движения поверхностного стока.

На основе снимков спутников Sentinel-2 рассчитывались вегетационные индексы. Так, например, для выяснения величины NDVI использовались снимки в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. На рис. 2 показана схема расположения выделенных модификаций и полигона отходов фосфогипса, на рис. 3, 4 представлены снимки данного участка, соответственно, в красном и ближнем инфракрасном диапазонах. На рис. 5 представлен результат расчета NDVI.

Рис. 2. Схема расположения отвалов фосфогипса и их зоны влияния

Fig. 2. Layout of phosphogypsum dumps and their impact zone

Рис. 3. Изображение участка в красном диапазоне

Fig. 3. Red image of the area

Рис. 4. Изображение участка в ближнем инфракрасном диапазоне

Fig. 4. Near-infrared image of the area

Рис. 5. Результаты расчета NDVI

Fig. 5. NDVI calculation results

Каждая модификация характеризуется определенным диапазоном величин вегетационных индексов (табл. 2). Это позволяет выделить ареалы распространения указанных модификаций и определить их площади. Так, площадь фоновой геосистемы составляет 101,4 га, зоны ТМ-2 – 34,5 га, зоны ТМ-1 – 48,8 га. Зона ТМ-1 находится в пределах отвалов фосфогипса (общая площадь полигона более 100 га).

Таблица 2. Изменения вегетационных индексов по градиенту химического загрязнения в зоне влияния экологически опасных объектов

Table 2. Changes in vegetation indices along the gradient of chemical pollution in the zone of influence of ecologically hazardous objects

Примечание/Note: *отвалы фосфогипса (phosphogypsum dumps); **склад серы (sulfur storage).

Значения NDVI в зоне ТМ-1 колеблются от 0,044 до 0,780. Среднее значение NDVI здесь ниже фонового в 2,5 раза, медианное – в 3,4 раза. Значения NBR – от 0,04 до 0,579, среднее значение ниже фонового в 1,8 раза, медианное – в 1,9 раза. Значения SWVI изменяются от –0,224 до 0,282, среднее значение ниже фонового в 14,9 раза, медианное – в 27,2 раза. Все указанные отличия статистически достоверные.

В зоне ТМ-2 величина NDVI находится в интервале 0,198–0,872, среднее значение ниже фонового в 1,4 раза, медианное – в 1,3 раза. Величина индекса NBR составляет 0,040–0,682, среднее значение ниже фонового в 1,5 раза, медианное – в 1,4 раза. Величина SWVI изменяет от –0,22 до 0,391, среднее значение ниже фонового в 2,4 раза, медианное – в 2,2 раза. В данном случае также отличия статистически достоверные.

Изменения NDVI отражают изменения продуктивности луговой геосистемы, подвергшейся воздействию химического загрязнения со стороны отвалов. Снижение NBR и SWVI указывают на стрессовое состояние растительности (усыхание, пожелтение, разрежение травостоя – фиксируются в отражательной способности земной поверхности). Наиболее чувствительным к повреждению растительности токсичными веществами оказывается SWVI. Рассмотренные результаты дают представление об экологическом эффекте, однако выявление механизма воздействия отвалов на растительность требует изучения процессов в геологической среде.

Для выяснения распространения загрязнения в глубину в пределах фоновой геосистемы и ее техногенных модификаций были проведены ВЭЗ. В качестве примера для сравнения на рис. 6 приведены кривые ВЭЗ, полученные на фоновом участке и на участке ТМ-1.

Рис. 6. Кривые ВЭЗ: фоновая геосистема (слева) и зона ТМ-1 (справа)

Fig. 6. VES curves: natural geosystem (left) and TM-1 zone (right)

Полученный в ходе интерпретации геоэлектрический разрез показан на рис. 7. Видно, что фоновый геоэлектрический разрез характеризуется снижением электрического сопротивления с глубиной, что обусловлено его литологическими особенностями: водно-ледниковые песчаные отложения подстилаются моренными супесями. Самый верхний слой представляет собой относительно сухие пески и характеризуется высоким сопротивлениям. На глубине 1,4 м залегает слой с более низким сопротивлением, которой интерпретируется как грунтовый водоносный горизонт. На глубине около 8 м залегают моренные отложения (супеси, суглинки), что объясняет дальнейшее снижение сопротивления.

Рис. 7. Геоэлектрический разрез через зону влияния отвалов фосфогипса

Fig. 7. Geoelectric section through the impact zone of phosphogypsum dumps

На участке ТМ-1 сопротивление до глубины 10 м аномально низкое, что обусловлено значительным повышением минерализации подземных вод. Минимальное сопротивление характерно для интервала 5–10 м, где, вероятно, имеет место максимальный уровень засоления. По данным резистивиметрии минерализация поверхностных вод в лужах здесь составляет 5–10 г/дм³. Минерализации проб воды из грунтового водоносного горизонта – 3–4 г/дм³. В интервале глубин 10–20 м сопротивление увеличивается, но все равно остается в 2–3 раза ниже, чем в зоне ТМ-2 и фоновой геосистеме.

На участке ТМ-2 низкое сопротивление отмечается только в самой верхней части разреза – до глубины 2,5 м (рис. 7). Это позволяет предположить, что миграция загрязняющих веществ к этому участку идет с поверхностным стоком, а загрязнение ниже грунтового водоносного горизонта отсутствует.

Склад серы

В зоне влияния склада серы (рис. 8) находится геосистема заболоченного леса (мелколиственный лес разнотравный на дерново-глеевых супесчаных почвах). Под воздействием загрязнения в окружающем ландшафте сформированы техногенные модификации исходной геосистемы:

Рис. 8. Склад серы и зона его влияния

Fig. 8. Sulfur storage and its' impact area

• ТМ-2 – участок с мозаичным тростниково-березовым фитоценозом;
• ТМ-1 – участок, полностью лишенный растительного покрова.

Как и в предыдущем случае, ареалы техногенных модификаций четко выделяются по значениям вегетационных индексов (табл. 2). При этом площадь фоновой геосистемы составляет 1,4 га, зоны ТМ-2 – 1,1 га, зоны ТМ-1 – 0,9 га. Склад серы находится на расстоянии 50 м от зоны ТМ-1 и на расстоянии 120 м от границы фоновой геосистемы (по прямой). Площадь склада серы составляет 0,18 га. Техногенные модификации отделены от фоновой геосистемы насыпью железной дороги (высота насыпи 1,5 м, ширина 10 м).

Наиболее низкие значения вегетационных индексов приурочены к зоне ТМ-1. По сравнению с фоновой геосистемой значение NDVI здесь снижается в 2–2,25 раза, значение NBR – в 2,31–3,15 раза, а значение SWVI – в десятки раз. В зоне ТМ-2 по сравнению с фоновой геосистемой значение NDVI снижается в 1,33–1,34 раза, значение NBR – в 1,65–1,7 раза, значение SWVI – в 4,28–8,03 раза.

Химическое загрязнение фиксируется в водах луж и каналов: по данным резистивиметрии в зоне ТМ-1 минерализация вод местами достигает 10 г/дм³ (удельное электрическое сопротивление – менее 1 Ом·м), а среднее значение составляет 7,237 г/дм³. Негативное воздействие на растительность также обусловлено весьма высокой кислотностью вод (рН<3). В зоне ТМ-2 минерализация поверхностных вод снижается до 0,3–1,5 г/дм³ (среднее значение – 482 мг/дм³). Величина рН здесь составляет 4,5–5,5 единицы. В пределах фоновой геосистемы минерализация ниже 1 г/дм³ (среднее значение – 297 мг/дм³), за исключением одной точки наблюдения, расположенной непосредственно напротив зоны ТМ-1. Величина рН – около 6.

Для изучения особенностей движения поверхностных и подземных вод, их взаимосвязи, а также распространения фронта загрязнения в геологической среде были использованы геоэлектрические методы – ЕЭП и ВЭЗ. Метод ЕЭП применяется для определения мест повышенной инфильтрации поверхностных вод, мест разгрузки подземных вод, прослеживания направления миграции неглубоко залегающих подземных вод. Повышенная фильтрация диагностируется по отрицательным аномалиям, а разгрузка подземных вод – по положительным аномалиям потенциала естественного электрического поля [1].

Установлено, что зона ТМ-1 характеризуется положительными значениями потенциала естественного электрического поля (от 0 до +15 мВ), т. е. здесь происходит разгрузка грунтовых вод), а остальная часть территории – отрицательными (от –40 до 0 мВ), что указывает на инфильтрацию поверхностных вод в грунтовый горизонт (рис. 9). Исходя из этого, можно предположить, что загрязняющие вещества с земной поверхности на участке склада серы мигрируют в грунтовые воды, которые затем разгружаются в зоне ТМ-1, вызывая засоление поверхностных почвогрунтов и гибель растительности. Для зоны ТМ-2 характерна инфильтрация осадков в грунтовые воды и, как следствие, меньшая степень воздействия загрязненных грунтовых вод на растительность.

Рис. 9. Изолинии потенциала ЕЭП (в мВ) в зоне влияния склада серы

Fig. 9. Isolines of the CES potential (in mV) in sulfur storage impact zone

На основе выполненных ВЭЗ был построен геоэлектрический разрез (рис. 10). В фоновой геосистеме и на участке ТМ-2 верхняя часть геологической среды состоит соответственно из четырех и пяти слоев, различающихся по удельному электрическому сопротивлению. Верхний слой характеризуется высоким сопротивлением (400–500 Oм·м) и мощностью 1,1–1,3 м (соответствует песчаными почвам).

Рис. 10. Геоэлектрический разрез через зону влияния склада серы, Ом·м

Fig. 10. Geoelectric section through the sulfur storage impact zone, Ohm·m

Второй слой в фоновой геосистеме (имеет сопротивление 232 Oм·м и мощность 9,7 м) интерпретируется как грунтовый водоносный горизонт в водно-ледниковых песках. Третий слой, в котором сопротивление снижается до 19 Oм·м, представляет собой моренные отложения (супеси и суглинки с гравием и галькой) и подморенный водоносный горизонт, распространенные до глубины 22 м. Подстилающий слой имеет высокое сопротивление (287 Oм·м) и соотносится с отложениями палеогена (пески, алевриты). На участке ТМ-2 второй слой имеет сопротивление 83 Oм·м и мощность 3,2 м – грунтовый водоносный горизонт. Третий слой (233 Oм·м) имеет мощность 10 м. По сравнению с фоновой геосистемой более четкое выделение грунтового водоносного горизонта обусловлено его загрязнением, вызвавшим снижение удельного электрического сопротивления. Ниже залегают моренные отложения и подморенный водоносный горизонт (19,7 Oм·м).

Геоэлектрический разрез на участке ТМ-1 резко отличается от вышеописанных. С поверхности до глубины около 20 м разрез характеризуется низким электрическим сопротивлением – до 5 Oм·м. Ниже сопротивление увеличивается до 77,4 Oм·м. Снижение сопротивления по всему разрезу обусловлено высокой минерализацией вод: поверхностных и подземных – грунтового и подморенного водоносных горизонтов. Анализ результатов ВЭЗ показал, что на участке ТМ-1 загрязнение охватывает зону аэрации, грунтовый и подморенный водоносные горизонты (до глубины 20 м). На участке ТМ-2 загрязнение фиксируется только в грунтовом водоносном горизонте (в районе размещения точки ВЭЗ).

На основе анализа выполненных исследований разработана модель распространения загрязнения в зоне влияния склада серы (рис. 11). Предполагается, что поток загрязнения от склада серы проникает в грунтовые воды, а затем движется к участку разгрузки (зона ТМ-1). Здесь загрязненные грунтовые воды подходят к земной поверхности и оказывают негативное воздействие на растительность. В зоне ТМ-2 загрязнение распространяется с грунтовыми водами, но, вероятно, к корнеобитаемому слою почв не подходит (соответственно экологический эффект в виде повреждения растительности проявляется в меньшей степени). В пределах фоновой геосистемы загрязнение уже не вызывает сколь-либо значимого снижения сопротивления.

Рис. 11. Миграция загрязнения в зоне влияния склада серы

Fig. 11. Migration of pollution in the sulfur storage impact zone

Заключение

Таким образом, комплексирование космической съемки и геоэлектрических методов позволило получить достаточно полную картину химического загрязнения:

• по вегетационным индексам – картировать зоны техногенной трансформации, определить их границы и площади;
• по результатам резистивиметрии – определить минерализацию поверхностных вод и ее пространственные изменения в зависимости от расстояния до источника;
• по данным метода потенциала ЕЭП – установить закономерности движения грунтовых вод и соответственно миграции загрязняющих веществ;
• по данным ВЭЗ оценить глубину зоны загрязнения и описать ее вертикальную структуру.

Sobre autores

Andrey Gusev

Autor responsável pela correspondência
Email: andi_gusev@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-1169-1172

Cand. Sc., Head of the Department of Geology and Geography

Bibliografia

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares

Ação

1. JATS XML

Baixar

2. Fig. 1. Phosphogypsum dumps and their impact zone

Baixar (52KB)

Metadados

3. Fig. 2. Layout of phosphogypsum dumps and their impact zone

Baixar (13KB)

Metadados

4. Fig. 3. Red image of the area

Baixar (25KB)

Metadados

5. Fig. 4. Near-infrared image of the area

Baixar (30KB)

Metadados

6. Fig. 5. NDVI calculation results

Baixar (39KB)

Metadados

7. Fig. 6. VES curves: natural geosystem (left) and TM-1 zone (right)

Baixar (23KB)

Metadados

8. Fig. 7. Geoelectric section through the impact zone of phosphogypsum dumps

Baixar (14KB)

Metadados

9. Fig. 8. Sulfur storage and its' impact area

Baixar (37KB)

Metadados

10. Fig. 9. Isolines of the CES potential (in mV) in sulfur storage impact zone

Baixar (36KB)

Metadados

11. Fig. 10. Geoelectric section through the sulfur storage impact zone, Ohm·m

Baixar (17KB)

Metadados

12. Fig. 11. Migration of pollution in the sulfur storage impact zone

Baixar (30KB)

Metadados