Оценка экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.36, кандидат технических наук Мазурова, Виктория Евгеньевна

• Мазурова, Виктория Евгеньевна
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мазурова, Виктория Евгеньевна

Введение.

Глава 1. Анализ масштабов и характера загрязнения поверхностных вод.

1.1. Поверхностные воды.

1.2. Масштабы загрязнения поверхностных вод в РФ.

1.3. Загрязнители (поллютанты) поверхностных вод.

Выводы по главе.

Глава 2. Методы дистанционного зондирования по идентификации загрязнений поверхностных вод.

2.1. Определения.

2.2. Съемка в видимом диапазоне спектра.

2.3. Многозональная съемка.

2.4. Мультиспектральная съемка.

2.5. Инфракрасная съемка.

2.6. Телевизионная съемка.

2.7. Радиосъемка.

2.8. Лазерная съемка.

2.9. Анализ методов дистанционного зондирования загрязнения водных сред.

2.10. Тестовые технологии индикации загрязнения водных объектов с применением дистанционного зондирования.

Выводы по главе.

Глава 3. Факторы экологической опасности загрязненных поверхностных вод.

3.1. Патологические факторы загрязнения поверхностных вод.

3.2. Фактор переноса загрязняющих веществ водных объектов в организм.

3.3. Факторы биологического воздействия загрязняющих веществ на организм

3.4. Факторы токсической опасности поллютантов водной среды.

3.5. Методика определения приоритетных поллютантов водных сред.

Выводы по главе.

Глава 4. Оценка экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод

4.1. Понятие экологического риска.

4.2. Оценка экологического риска, обусловленного загрязнением поверхностных вод.

4.3. Оценка биологического воздействия поллютанта на здоровье человека.

4.4. Установление показателей неопределенности в контакте поллютантов с человеком.

4.5. Определение экологического риска для здоровья населения от воздействия загрязненных вод.

4.6. Управление экологическим риском.

4.8. Методика оценки экологического риска загрязнения водного объекта с использованием материалов дистанционного зондирования.

Выводы по главе.

Глава 5. Оценка экологического риска загрязнения водоема на примере

Цимлянского водохранилища.

5.1. Описание объекта исследования.

5.2. Гидрохимическое состояние Цимлянского водохранилища.

5.3. Материалы дешифрирования космических снимков Цимлянского водохранилища.

5.4. Расчетная часть эксперимента.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования»

Актуальность. Проблема загрязнения водных ресурсов в РФ стоит чрезвычайно остро. Возрастание техногенной нагрузки на водосборные территории при сокращении объема водоохранных мероприятий ведет к увеличению загрязнения поверхностных вод. Загрязненные водные объекты становятся непригодными для питьевого, а часто и технического водоснабжения, теряют рыбохозяйственное значение и становятся малопригодными для нужд сельского хозяйства.

Существующая система точечного контроля качества водных сред не позволяет в современных условиях достаточно оперативно и масштабно решать задачи по идентификации и контролю зон хронического загрязнения водных бассейнов на больших территориях. При этом современные методы контроля состояния водных сред выявляют качество вод в местах непосредственного их загрязнения, что не дает возможности оценить воздействие загрязняющих веществ на здоровье населения и окружающую среду в зонах распространения загрязнения.

Масштабное расширение задач по оценке состояния окружающей среды требует разработки новых методик, позволяющих на современном уровне технических решений оценивать масштабы загрязнения окружающей среды и выявлять степень влияния данного загрязнения на здоровье и качество жизни населения.

Большими возможностями по идентификации загрязнения вод обладают методы дистанционного зондирования, которые позволяют вести мониторинг на значительных территориях водных объектов, в том числе и малодоступных для обычных контактных методов индикации. Поэтому разработка методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с применением технологий дистанционного зондирования открывает возможности решения этой проблемы. При этом предлагаемая методика оценки экологического риска позволит решать задачи с высокой оперативностью получения информации, с достаточно корректной объективностью по результатам обработки аэрофотоснимков и в больших масштабах территории мониторинга. Данные возможности особенно важны для получения информации раннего обнаружения возникновения экстремальных ситуаций на водном объекте после техногенных катастроф, аварий и пр.

В связи с этим оценка экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования является весьма важной и актуальной темой исследования. Рассмотрение данной проблемы открывает возможности практического решения многих задач по защите населения и окружающей природной среды от воздействия опасных загрязнений поверхностных вод.

Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разработка методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования.

Реализация поставленной цели потребовала решения следующих задач:

- проведение анализа загрязненности водных объектов РФ с целью выявления масштабов и характера загрязнения поверхностных вод;

- проведение анализа существующих в настоящее время методов дистанционного зондирования с целью выявления их возможностей для идентификации загрязнений поверхностных вод;

- разработка методики определения приоритетности поллютантов поверхностных вод для объективной оценки возможного ущерба от загрязненности водного объекта;

- разработка методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод по показателю здоровья населения (смертности);

- проведение экспериментальных исследований для апробации предлагаемой методики по оценке экологического риска на водном объекте, загрязненном техногенными сбросами.

Объектом исследования является экологическое состояние водных объектов (водохранилища, реки, озера), загрязненных поллютантами вследствие сбросов сточных вод, на примере Цимлянского водохранилища.

Предметом исследования является методика оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования и тестовых измерений на объекте оценки с учетом приоритетности поллютантов в данном водоеме.

Теоретической и методической основой исследования послужили отечественные и зарубежные разработки по вопросам оценки состояния геоэкологии территории, теории риска, токсикологии, системам и методам дистанционного зондирования.

Для достижения поставленной цели и задач исследования применены следующие методы исследования:

- Анализ и обобщение материалов научной и специальной литературы по вопросам теории риска и ее применения для оценки геоэкологии территории по показателю экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод.

- Анализ и обобщение материалов государственных докладов о состоянии окружающей среды в РФ за последние 5 лет для оценки современного состояния загрязненности поверхностных вод РФ.

- Программное обеспечение обработки данных дистанционного зондирования водных объектов.

- Экспериментальные исследования по оценке экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод Цимлянского водохранилища с использованием материалов дистанционного зондирования и тестовых измерений для проверки логико-аналитической структуры построения предлагаемой методики оценки экологического риска и реальной возможности ее применимости для решения задач экологической безопасности населения и окружающей среды.

- Проведение полевых измерений загрязненности вод Цимлянского водохранилища методами контактной индикации с анализом их отображения на космических снимках.

Научная новизна исследования состоит в применении новых научных технологий и решений для достижения наилучших результатов в оценке экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод. Основные из них:

1. Проведено комплексирование трех научных направлений исследования: дистанционного зондирования, токсичности и риска для получения результирующего продукта в виде методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования, которая по характеру и объему решаемых задач не имеет аналогов.

2. Впервые разработана методика определения приоритетности поллютантов водного объекта с учетом динамики их биологического действия на здоровье человека, необходимая и достаточная для объективной оценки последствий их токсического и канцерогенного воздействия.

3. Проведена структуризация показателей токсического действия поллютантов с учетом неопределенности их контакта с человеком в водном объекте для получения новой процедуры расчета экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод. Практическая значимость работы определяется расширением возможностей решения практических задач оценки экологического риска последствий загрязнения водных объектов на основе существующих технологий идентификации поллютантов современными методами дистанционного зондирования и тестовых измерений.

Расчетно-аналитические и методические материалы могут быть использованы при решении административно-хозяйственных задач по охране окружающей среды и рациональному природопользованию, в государственных структурах и частных предприятиях для оценки экологической безопасности водных объектов, а также в научно-исследовательской работе по проблемам охраны окружающей природной среды и в системе образования при преподавании экологических дисциплин по вопросам экологического риска.

Апробация результатов исследования. Достоверность научных положений, выдвигаемых автором, подтверждена результатами апробации методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных 4 вод с использованием материалов дистанционного зондирования на примере Цимлянского водохранилища.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались:

- на 61-й юбилейной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, посвященной 25-летию первого полета в космос Савиных Виктора Петровича (Россия, Москва, 5-6 апреля 2006 г., МИИГАиК);

- на XI Межвузовском научно-практическом семинаре-конкурсе студентов, аспирантов и молодых ученых Московского региона «Экология и рациональное природопользование Московского региона», проведенного в рамках «Дней защиты от экологической опасности» (Россия, Москва, 22 мая 2007 г., МИИГАиК);

- на 63-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК (Россия, Москва, 2-3 апреля 2008 г., МИИГАиК);

- заочно на Всероссийской научно-практической конференции «Экологические аспекты сохранения исторического и природно-культурного наследия» (Россия, Волгоград, 4 апреля 2008 г., ФГОУ ВПО Волгоградская академия государственной службы);

- на XII Межвузовском научно-практическом семинаре-конкурсе студентов, аспирантов и молодых ученых Московского региона по проблеме «Инновационные технологии в экологии», проведенного в рамках «Дней защиты от экологической опасности» (Россия, Москва, 24 апреля 2008 г., МИИГАиК).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 5 публикациях в следующих изданиях:

- Бугаева В.Е. (Мазурова В.Е.), Методологические подходы к оценке экологического риска, обусловленные загрязнением водных сред, Известия ВУЗов, Геодезия и Аэрофотосъемка №6, Москва, 2007. — с. 11 -16.

- Мазурова В.Е., Методика определения приоритетных поллютантов водных сред, Известия ВУЗов, Геодезия и Аэрофотосъемка №6, Москва, 2008. - с. 21 - 23.

- Бугаева В.Е. (Мазурова В.Е.), Проблемы оценки экологического риска, обусловленного загрязнением водных сред, Сборник научных трудов XI Межвузовского научно-практического семинара-конкурса студентов, аспирантов и молодых ученых Московского региона «Экология и рациональное природопользование Московского региона», Москва, 2007. - с. 24 — 30.

- Мазурова В.Е., Определение приоритетных для исследования загрязнителей поверхностных вод на примере бассейна реки Дон, «Экологические аспекты сохранения исторического и природно-культурного наследия» Всероссийская научно-практическая конференция, Волгоград, 2008. - с. 180 - 182.

- Мазурова В.Е., Совершенствование методики определения приоритетных поллютантов водных сред, «Инновационные технологии в экологии» сборник научных трудов XII Межвузовского научно-практического семинара-конкурса студентов, аспирантов и молодых ученых Московского региона, Москва, 2008. - с. 112 - 116.

Основные результаты, выносимые на защиту. В соответствии с полученными результатами исследований и их апробацией на защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Разработана методика оценки экологического риска последствий загрязнения водного объекта с использованием материалов дистанционного зондирования, учитывающая неопределенности поведения и контакта поллютантов с объектом оценки (человеком).

2. Разработана методика определения приоритетных поллютантов водного объекта, характеризующая динамику нарастания токсического и канцерогенного эффекта поллютантов по мере возрастания их объема в водном объекте.

3. Проведен анализ существующих в настоящее время методов дистанционного зондирования с целью выявления их возможностей для идентификации загрязнений поверхностных вод.

4. Проведен эксперимент по применению методики оценки экологического риска последствий загрязнения водного объекта с использованием материалов дистанционного зондирования на примере Цимлянского водохранилища.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает введение, пять глав, заключение, список использованной литературы. Основной текст изложен на 147 страницах машинописного текста, включая 24 таблицы и 23 рисунка. Список литературы включает 71 наименование.

Заключение диссертации по теме «Геоэкология», Мазурова, Виктория Евгеньевна

Выводы по главе

1. Практическое применение предлагаемой методики оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования, рассмотренное на примере Цимлянского водохранилища, показало ее применимость и достаточно высокую корректность по результатам расчетов.

2. На примере отдельно рассмотренного водоема показана целесообразность использования данных дистанционного зондирования для оценки антропогенного воздействия на поверхностные воды в части оперативного выявления ареалов загрязнения водного объекта.

3. Анализ результатов расчета экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод Цимлянского водохранилища по материалам дистанционного зондирования и тестовым измерениям показал, что в водоеме присутствуют поллютанты с различным механизмом биологического воздействия на организм человека с показателем рискового ущерба в 1,7-10"6, что характеризует общую экологическую обстановку на низком уровне риска. Реализация эффекта токсического действия поллютантов в водоеме наиболее вероятна в летние месяцы года в районе прибрежной зоны балки Сухосоленой г. Волгодонска.

4. В качестве мер по снижению экологического риска от загрязнения вод Цимлянского водохранилища опасными поллютантами могут быть применены ряд защитных мероприятий:

- возведение очистных сооружений на участках сброса загрязненных вод;

- ужесточение мер надзора за состоянием санитарной зоны водоема;

- ограничение использования населением выявленных зон водного объекта, загрязненных поллютантами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Материалы научных исследований, представленные в диссертационной работе раскрывают основные пути решения научной проблемы развития методов оценки риска загрязнения поверхностных вод, позволяющих выявлять степень влияния данного загрязнения на здоровье и качество жизни населения.

На основе анализа тенденции роста загрязненности поверхностных вод РФ определена необходимость разработки нового подхода к оценке опасности нарастания поражающего эффекта воздействия поллютантов в водном объекте на здоровье людей.

Разработанная методика определения приоритетности поллютантов водных сред, характеризующая динамику нарастания токсического и канцерогенного эффекта поллютантов по мере возрастания их объема в водном объекте, позволяет на основании информации об объемах сбросов загрязняющих веществ в исследуемый водный объект и о превышении в нем ПДК по данным веществам вычислять коэффициент приоритетности загрязняющих веществ.

На основе анализа современных методов дистанционного

-г зондирования выявлено, что их возможности позволяют оперативно идентифицировать ареалы загрязнения водной среды посредством анализа основных признаков отображения на снимках, таким как: изменение оптических характеристик толщи воды, изменение свойств пленки поверхностно-активных веществ, изменение спектральных характеристик отображения на снимках и т.д.

Разработанная методика оценки экологического риска последствий загрязнения поверхностных вод с использованием материалов дистанционного зондирования, учитывающая неопределенности поведения и контакта поллютантов с объектом оценки (человеком), позволяет определять ущерб здоровью населения в результате токсического эффекта воздействия загрязняющих веществ, поступающих в водный объект со сточными водами.

Проведенные экспериментальные исследования по оценке экологического риска последствий загрязнения водоема с использованием материалов дистанционного зондирования и тестовых измерений на примере Цимлянского водохранилища показали практическую применимость предлагаемой методики для водного объекта и возможность реального использования результатов оценки экологического риска в системе его управления.

На примере оценки загрязнения Цимлянского водохранилища определено, что основными путями снижения показателя экологического риска последствий токсического и канцерогенного воздействия поллютантов должны быть:

- возведение очистных сооружений на участках нерегулируемого сброса сточных вод в районах местонахождения водостоков ливневой канализации г. Волгодонска;

- ограничение использования населением выявленных зон водного объекта, загрязненных поллютантами;

- ужесточение мер надзора за состоянием санитарной зоны водоема.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мазурова, Виктория Евгеньевна, 2009 год

1. Экологический энциклопедический словарь. Ноосфера, М., 1999.

2. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. «Научные основы экобиотехнологии» / Учебное пособие для студентов. М.: Мир, 2006.

3. Лебедев А.А., Нестеренко О.П. Космические системы наблюдения. Синтез и моделирование. / М., «Машиностроение», 1991.

4. Научно-технические предложения на создание системы дистанционного зондирования земли в природно-ресурсных и экологических целях. / ЦНИИ «Комета», 1991.

5. Бондур В.Г., Лазарев А.И., Коптев Ю.И., Савин А.И., Севастьянов В.И. Космос открывает тайны земли. / Л., Гидрометеоиздат, 1993.

6. Анализ имеющегося ассортимента технических средств и выбор варианта для проведения эксперимента. / ИСИНТЕК, ЦНИИ «Комета», 1997.

7. Систематизация результатов измерений лазерного зондирования. / Отчет «НПАО», «Исинтек», М., ЦНИИ «Комета», 1996.

8. Ю.Бондур В.Г. Новые методы дистанционного мониторинга прибрежных акваторий. / Вопросы радиоэлектротехники. Сер. Общетехническая №1,1998.

9. Куценко С.А. «Основы токсикологии».- СПб.: Фолиант, 2004.16.«Основные показатели охраны окружающей среды: Статистический бюллетень». / Федеральная служба государственной статистики. — М., 2004.

10. Болыпаков A.M., Крутько В.Н., Пуцилло Е.В. «Оценка и управление рисками влияния окружающей среды на здоровье населения». — М.: Эдиториал УРСС, 1999.

11. Реймерс Н.Ф. «Экология». -М.: Россия молодая, 1994.19. «Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду».- М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004.

12. ГОСТ 17.1.1.02-77 «Классификация водных объектов»

13. Guidelines for exposure assessment, 1992, U.S.EPA, 1997

14. U.S. EPA, Development of statistical distributions or ranges of standard factors used in exposure assessments, 1985

15. Буров B.H. «Экология природопользования»: Учебное пособие. Изд. 2-е переработанное и дополненное. — М.: Изд-во МИИГАиК, 2006.

16. Авалиани С.Л., Андрианова М.М., Печенникова Е.В., Пономарева О.В. «Окружающая среда // Оценка риска для здоровья (мировой опыт)». М., Консультационный центр по оценке риска, 1996.

17. WHO Working Group. Evaluation and Use of Epidemiological Evidence for Environmental Health Risk Assessment: WHO Guideline Document Environmental Health Perspectives, Vol. 108. Geneva, 2000.

18. WHO. Guidelines for drinking-water quality, 2nd ed. V. 1-2. Geneva, 1996.

19. WHO/IPCS. Environmental Health Criteria 210: Principles for the Assessment of Risks to Human Health from Exposure to Chemicals. World Health Organization, International Program on Chemical Safety, Geneva, 1999.

20. Министерство природных ресурсов. Федеральное государственное учреждение «Управление водными ресурсами Цимлянского водохранилища». Отчет по результатам обследования водоохраной зоны Цимлянского водохранилища в границах г.Волгодонска в 2008 г.

21. ЗО.Чабан JI.H. «Теория и алгоритмы распознавания образов». Учебное пособие. М.: МИИГАиК. 2004.31.«Информационный бюллетень о состоянии водных объектов и водохозяйственных систем и сооружений за 2006 г.»: г. Цимлянск. 2007.

22. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработать предложения по стабилизации берегов и уменьшению заиления Цимлянского водохранилища за счет изменения уровня воды»: Ленинград. 1991 г.

23. Сводный технический отчет «Уточнение морфометрических характеристик Цимлянского водохранилища с целью повышения эффективности режима его эксплуатации»: Москва. Филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» «Институт гидропроект». 2004.

24. Буров В.Н. «Физиологические основы безопасности жизнедеятельности». Учебное пособие. Изд. 2-е переработанное и дополненное. -М.: МИИГАиК. 1997.

25. Брацславец П.Ф., Расселевич И.А., Хромов Л.И. «Космическое телевидение»: М., 1973.

26. Б.В.Виноградов «Космические методы изучения природной среды»: М., Мысль, 1976.

27. Гарбук С.В., Гершенсон В.Е. «Космические системы дистанционного зондирования Земли»: М., Изд-во «А и Б», 1997.

28. Межерис Р. «Лазерное дистанционное зондирование»: М., Мир, 1987.

29. Савиных В.П., Малинников В.А., Сладкопевцев С.А., Цыпина Э.М. «География из космоса»: М., МИИГАиК, 2000.

30. Савиных В.П., Цветков В.Я. «Геоинформационный анализ данных дистанционного зондирования»: М., Картгеоцентр-Геодезиздат, 2001.

31. Дейвис Ш.М., Ландгребе Д.А., Свейна Ф. «Дистанционное зондирование: качественный подход»: М., Недра, 1983.

32. Савиных В.П., Соломатин В. А. «Оптико-электронные системы дистанционного зондирования»: М., Недра, 1995.

33. Безднина С.Я. «Экосистемное водопользование: концепции, принципы, технологии»: М., Издательство «Рома», 1997.

34. Бейм A.M., Красовский Г.И., Сутокская И.В., Васюкович Л.Я. «Экологические подходы к биоиндикации качества воды // Самоочищение воды и миграции загрязнений по трофической цепи»: М., Наука, 1984.

35. Брагинский Л.П. «Некоторые принципы классификации пресноводных экосистем по уровням токсической загрязненности // Гидробиол. журн.» 1985. Т.21. - №6.

36. Бондур В.Г. «Мониторинг окружающей среды» // М., ЦНИИ «Комета», 1995.

37. Голубова Н.В. «Тяжелые металлы в воде Цимлянского водохранилища // Водные ресурсы»: т.21. №2, 1994.

38. Нежиховский Р.А. «Гидроэкологические основы водного хозяйства»: Л., Гидрометеоиздат, 1990.

39. Прозоров Л.Л. «Энциклопедический словарь «Геоэкология»: М., Научный мир, 2004.71. «Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество 2002 г.»: С-Пб, Гидрометеоиздат, 2003.