Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ЭКОСИСТЕМ АЛМАЗОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и может быть использовано для оценки экологического состояния природной и техногенной экосистем: атмосфера, водная среда (реки, водохранилища, озера, болота и другие водные объекты суши, моря), недра, почвы, биоресурсы, урбоэкосистемы, агроэкосистемы, транспорт и транспортные коммуникации с целью получения общей картины состояния контролируемой территории, раннего обнаружения и установления местоположения отклонений от установленных требований при подземной разработке кимберлитовых месторождений алмазов в районах с вечномерзлыми грунтами, характерными для Крайнего Севера и Сибири.

В настоящее время промышленная добыча алмазов в России ведется в трех регионах: в Республике Саха (Якутия), Пермской и Архангельской областях. Действие горных комбинатов приводит к негативному влиянию на окружающую среду и нарушению естественного баланса в ней под действием антропогенного воздействия в условиях вечной мерзлоты, основными формами которого являются загрязнение водной среды, воздушного бассейна и отторжение земель, сопровождающиеся нарушением и загрязнением значительных площадей природных ландшафтов, при этом немаловажную роль играет создание хвостохранилищ, отвалов пустых пород, разработка россыпных месторождений. Наносимый природным компонентам ущерб ведет к ощутимым последствиям и отражает обратную реакцию этого воздействия (негативную для общества), обобщаемую понятием "современная экологическая ситуация". Так, косвенное воздействие на земли, связанное с изменением состояния и режима грунтовых вод, осаждением пыли и химических соединений из выбросов в атмосферу, а также продуктов ветровой и водной эрозии, приводит к ухудшению качества земель в зоне влияния горного производства. Это проявляется в угнетании и уничтожении естественной растительности, миграции и сокращении численности диких животных, снижении продуктивности сельского, лесного и рыбного хозяйства. Данные проблемы регулируются законами, правилами и соглашениями на государственном, региональном и международном уровнях, многие ученые России и зарубежных стран, где ведется добыча алмазов, пытаются их разрешить.

Задачами государственной программы Российской Федерации "Воспроизводство и использование природных ресурсов" (утв. постановлением Правительства РФ от 15 апреля 2014 г. №322) являются: получение геологической информации; обеспечение воспроизводства минерально-сырьевой базы; обеспечение рационального использования минерально-сырьевых ресурсов.

Известен способ геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса экологической опасности среды [1], включающий выделение экологически опасных токсично-загрязненных и сейсмоопасных участков проведения геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса Io экологической опасности среды с использованием линейной и/или среднеквадратичной форм аппроксимации компонент индекса экологической опасности, на основе чего, используя результаты химического анализа проб донных отложений и воды, отобранных по выбранной сетке исследования площади исследуемой среды, а также нормальные и градиентные геофизические i-поля на площади среды, делают вывод о результатах мониторинга по интегрально-комплексной оценке (ИКО) индекса экологической опасности. Однако получаемая этим способом информация отражает только фактическое состояние воздуха, воды и донных отложений в точках местоположения постов наблюдения с целью констатации установленного состояния.

Известен способ комплексного мониторинга обследуемой земной поверхности [2], включающий дистанционное зондирование (космическую и/или аэросъемку в видимом и/или невидимом диапазонах электромагнитного излучения), взятие проб и определение по ним состояния почвы, воды, воздуха, актуализацию устаревших карт обследуемой земной поверхности (ОЗП), составляемых на степи, леса, поля, пустыни, тундры, горы, пресноводные и морские водоемы, и т.п., т.е. составляют для каждой зоны перечень основных, обязательных для контроля, характеристик состояния окружающей среды, периодически определяют ее компоненты и сравнивают с предыдущими значениями, генерализируют изменения и определяют их причины, после чего заносят полученные результаты в банк данных, изготавливают актуализированные тематические карты ОЗП, принимают решение о возможности и видах использования ОЗП в хозяйственной деятельности, а также о необходимости и видах мероприятий по улучшению состояния окружающей среды, сроках проведения очередного цикла мониторинга ОЗП. Способ реализуется с помощью различных технических средств.

Известен способ экологического мониторинга опасных производственных объектов [3], включающий отбор проб компонентов природной среды (атмосферного воздуха, поверхностных и грунтовых вод, донных отложений, почвенного и снежного покровов), анализ проб, их обработку, а также сравнение данных мониторинга, получаемого в ходе функционирования объекта, с результатами фонового мониторинга территории, проведенного до начала функционирования объекта, предназначен для оценки состояния природной среды в сравнении с установленными нормативами качества природной среды в виде предельно допустимых концентраций (ПДК), дает возможность проведения мониторинговых работ в точках (областях) максимально вероятного присутствия загрязняющих веществ, определяемых по результатам оценки воздействия объекта на окружающую среду при расчете рассеивания загрязняющих веществ в атмосферном воздухе на основе замеров их концентраций на источниках выбросов с учетом статистических метеорологических данных. Рассмотренный способ основывается на проведении мониторинговых работ по точкам, имеющим повышенное содержание загрязняющих веществ, и исключением из сетки наблюдений точек с минимальным содержанием, обнаруженных в предыдущий период наблюдений. Основной упор делается на усредненные статистические метеорологические данные. Использование данного способа возможно лишь на территории, где достаточно развиты технические и информационные средства, которые позволяют проводить сбор, передавать и проводить сравнительный анализ полученных данных. Основной недостаток заключается в ориентировании работ на второстепенные процессы и явления в виде аномальных изменений отдельных компонентов среды без учета интегральных воздействий техносферы на природу. Ограничивает использование данного способа то, что он базируется на системе наблюдений Росгидромета. Известно, что в настоящее время сеть наблюдений не во всех местах является достаточной, что сказывается на полноте и качестве данных, и, как результат, не всегда можно получить нужную картину. Недостатком является получение информации об экологической обстановке и обеспечение прогнозирования загрязнения только атмосферного воздуха промышленного региона. Таким образом, известный способ мониторинга недостаточно точен с точки зрения оценки состояния природной среды для участков горных работ.

Известен способ оценки экологической обстановки, когда проводят мониторинг во времени по ряду показателей и по их комплексности определяют экологическую ситуацию в регионе [4]. Однако в известном способе процесс определения мониторинга длительный и сложный, поскольку приборами определяют вид и массовую концентрацию вредных веществ с последующим повторным тестированием. Известный способ характеризуется высокой сложностью, поскольку осуществляют оценку каждого административного района, а затем определяют суммарный показатель концентрации вредных веществ всех территорий.

Известен также способ оценки экологического состояния населенного пункта, при котором проводят тестирование почвы, воздуха и воды, микроорганизмов и по их состоянию заключают об экологической обстановке в регионе и конкретном населенном пункте [5]. Однако в этом способе процесс определения экологического состояния очень длительный, при котором учитываются множество факторов, в том числе и жизнедеятельность микроорганизмов, которые не всегда бывают точными.

Наиболее близким техническим решением является способ, где осуществляют комплексную оценку окружающей среды по базе данных состояния, фиксацию фактов допустимых значений, составление протоколов и сравнение за предыдущий и последующий периоды. Сформированные протоколы передают по линиям связи в центр обработки и управления, где формируют объединенный протокол состояния окружающей среды [6]. Недостатками способа является сложность проведения мониторинга, значительная громоздкость определения факторов, их оформление и сбор данных. При таком способе недостаточно точно определяются прогнозы окружающей среды, особенно в регионе, где осуществляется горнопромышленное производство.

Из уровня техники известен способ горно-экологического мониторинга [7], который определяет цели, задачи и функции горно-экологического мониторинга, устанавливает порядок его осуществления при пользовании недрами, включает наблюдения, оценку, прогноз вредного влияния горных работ на окружающую среду и подготовку рекомендаций по предотвращению этого влияния, учет запасов полезных ископаемых и их использование, а также оценку использования природных ресурсов и состояние промышленной безопасности при производстве горных работ. Горно-экологический мониторинг осуществляется в пределах границ горного отвода, а также земельного участка, предоставляемого для ведения горных работ (земельного отвода), а также за их пределами в зоне вредного влияния горных работ. В соответствии с п. 1.5. Основой горно-экологического мониторинга являются выполняемые пользователями недр наблюдения за использованием запасов полезных ископаемых, состоянием геологической среды, горных выработок, земель, водных объектов, а также п. 1.6. гласит, что «Система горно-экологического мониторинга является частью системы государственного мониторинга геологической среды, которая входит составной частью в Единую государственную систему экологического мониторинга [7], которая взаимодействует с Российской системой по чрезвычайным ситуациям, системой мониторинга земель, Единой информационной системой недропользования в России и другими системами.

Согласно п. 2.2. Основными задачами горно-экологического мониторинга являются: оценка состояния окружающей среды и использования минеральных ресурсов при ведении горных работ; прогноз состояния окружающей среды, в т.ч. изменений, вызванных техногенными авариями и катастрофами; разработка рекомендаций по предупреждению техногенных аварий и катастроф, предотвращению или снижению вредного влияния горных работ на окружающую среду, рациональному использованию минеральных ресурсов и охране недр; обеспечение достоверности учета движения запасов полезных ископаемых и потерь при их добыче и первичной переработке [7]. Решение поставленных задач достигается посредством организации системы дистанционных и наземных наблюдений, обеспечивающих получение информации в необходимых объемах, ее анализа и принятия соответствующих решений. В соответствии с п. 2.3. «Объектами горно-экологического мониторинга являются техногенные объекты (горные выработки, отвалы вскрышных и вмещающих пород, хвостохранилища, отстойники и накопители дренажных и иных технических вод, транспортные коммуникации и др.), сформированные в процессе добычи, транспортировки, переработки полезных ископаемых, использования недр в целях, не связанных с добычей полезных ископаемых и рекультивации нарушенных земель и т.д.» [7]. Недостатком известного способа является то, что горно-экологический мониторинг базируется на общих положениях проведения мониторинговых исследований, осуществляется в пределах границ горного отвода, а также земельного участка, при ликвидации предприятия осуществляется до стабилизации гидрогеологических условий и процессов сдвижения нарушенного горными работами массива горных пород, не прописаны критерии, по которым выбираются участки наблюдений, параметры исследований, не учитываются значения фонового мониторинга (природный аналог), вне зоны вредного влияния горных работ, но находящийся в тех же природных условиях. Также недостатком этого способа является и то, что не предполагается в дальнейшем использование ключевых участков (полигонов) наблюдений за состоянием почво-грунтов, снежного покрова, видового состава, загрязнения растительного и животного мира, полностью исключены биологические объекты (растительный и животный мир) включая редкие и исчезающие виды, которые могут быть выявлены на законсервированных участках горных пород, не учитывают экологические нормативы региона, выявленные и опубликованные в открытой печати, что понижает точность оценки и определение тенденции восстановления природной среды.

Известен способ мониторинга загрязнения атмосферного воздуха, изложенный в рекомендациях по организации и функционированию систем специальных наблюдений Росгидромета Р 52.24.581-97 [8].

Известен способ мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения и система для его реализации, опубликованная в Интернете [9].

По результатам исследований издано большое количество работ, посвященных влиянию горной промышленности на почвы, атмосферу, растительность, животный мир, а также комплексной оценке трансформации экосистем [10], но все они имеют ряд недостатков:

- использование только части информации, которая формируется для определенной природной среды, сформированной по ландшафтным и/или физико-географическим характеристикам среды обитания биогеоценоза (СОБ) без учета антропогенного объекта, что приводит к получению фрагментарности информации и не обеспечивает полной информационной характеристикой объекта исследования как природно-техногенной экосистемы алмазодобывающего предприятия (ПТЭАП);

- ограниченный объем получаемой информации;

- зависимость базы данных от разрозненных источников;

- разновременное происхождение информационного потока, зачастую несовместимое при обработке собранных данных.

Способ комплексной оценки состояния лесных экосистем в районах техногенного воздействия промышленных объектов посредством предварительного осуществления подготовительных мероприятий, включает анализ документации по объекту, проведение его натурных обследований, выбор мест проведения исследований, отвечающих требованиям репрезентативности, закладку стационарных пробных площадей и последующего проведения различных видов биологического мониторинга фитоценозов и почвенного покрова экосистем на различном удалении от промышленных объектов, в котором мониторинг проводят на стационарных пробных площадях последовательно в три этапа: предварительном - до начала строительства объекта, текущем - в течение строительства и последующем в процессе эксплуатации введенного в действие объекта.

Целью предлагаемого изобретения «Способ комплексной оценки природных и антропогенных экосистем алмазодобывающих предприятий» является осуществление комплексной оценки природных и антропогенных экосистем с помощью проведения взаимообусловленных и взаимосвязанных исследований экологического состояния и использования природных ресурсов территорий алмазодобывающих предприятий.

Для достижения поставленной цели разработан способ комплексной оценки природных и антропогенных экосистем алмазодобывающих предприятий, включающий сбор информационных потоков, получаемых от различных источников проведения мониторинга окружающей среды мобильными и стационарными пунктами контроля, дистанционными методами зондирования Земли, съемок с беспилотных летательных аппаратов, лазерного сканирования, и передаче данных в единый информационный Центр оценки и прогнозирования состояния природной и антропогенной экосистем (ЦОиППиАЭ) в режиме on-line на основе непрерывного и периодического обновления с последующей визуализацией в виде различных картографо-графических документов и формированием комплексной системы репрезентативных и специфических показателей для исследований и мониторингов, отличающийся от прототипов тем, что обработка собранной комплексной информации осуществляется с использованием современных программных продуктов обработки «Big Data» два этапа: 1) отбор статистически значимых специфических показателей состояния компонентов природной и антропогенной экосистем по факторам воздействия на них алмазодобывающего предприятия; 2) построение байесовских сетей с учетом выбранных на момент статистической обработки информации, причем программные комплексы состоят из стандартных лицензионных и специальных продуктов, которые формируют базу актуализированных данных, отслеживают достоверность информации по оценке состояния природной и антропогенной экосистем с привязкой к реальному пространственно-временному положению всех факторов воздействия, также отличающийся тем, что наряду с изображением карты оценки фактического состояния природной и антропогенной экосистем алмазодобывающего предприятия формируют систему репрезентативных и специфических показателей для осуществления мониторингов по преобразованиям рельефа, состоянию многолетних мерзлотных горных пород, почв, поверхностных и подземных вод, растительности и животного мира, снежного покрова и др.

На фигуре 1 изображена общая схема зон территории алмазодобывающего предприятия, на фигуре 2 - схема формирования комплексной оценки природных и антропогенных экосистем алмазодобывающего предприятия и формирования репрезентативных и специфических показателей для исследований и мониторингов объектов, визуализации данных включает в себя: 1 - источники информационных данных; 2 - хранилище пространственных данных; 3 - хранилище метаданных; 4 - веб-интерфейс геопортала; 5 - кимберлитовая трубка; 6 - составляющие природной экосистемы; 7 - составляющие антропогенной экосистемы; 8 - 1-й этап обработки информационных данных в программе Statistica v.8.0.055; 9 - 2-й этап построения байесовских сетей на основе выбранных статистических показателей; 10 - компьютер для визуализации результатов обработки в картографо-графическом и текстовом режиме; 11 - ГИС: обработка актуализированных данных; 12 - банк картографо-графических материалов.

Предлагаемый способ комплексной оценки природных и антропогенных экосистем алмазодобывающих предприятий позволяет:

- сформировать систему специфических показателей для проведения различных исследований и мониторингов оперативно;

- получить единую базу геоданных, показателей оценки состояния природных и антропогенных экосистем в реальном времени и пространстве: воздушного бассейна, водной среды, отторжения земель, растительности и животного мира с учетом уровня доступа, которая может служить основой для мониторинговых исследований в будущем;

- визуализировать по показателям или комплексно на территорию объектов алмазодобывающего предприятия по формам рельефа: отвалы вскрышных и отработанных горных пород, хвостохранилища, карьеры, выемки, отстойники и другие формы антропогенного рельефа, в том числе и территорий разработки россыпных месторождений;

- оперативно получать сведения о возможном негативном воздействии на окружающую территорию и своевременно принимать природоохранные меры, состояния органического мира в районе расположения алмазодобывающих предприятий;

- разработать практические рекомендации по обезвреживанию и ликвидации последствий источников загрязнения, влияющих на качество уровня жизни населения, проживающего в районах расположения алмазодобывающих предприятий;

- сохранить экологическую безопасность региона и страны.

Источники информации

1. Заявка №2008137418/28 на изобретение «Способ геоэкологического мониторинга с интегрально-комплексной оценкой индекса экологической опасности среды».

2. Заявка №2003115637/12 на изобретение «Способ комплексного мониторинга обследуемой земной поверхности».

3. Патент РФ №2413220.

4. Патент РФ №2243554.

5. Патент РФ №2234085.

6. Патент РФ №2369866.

7. Временное положение о горно-экологическом мониторинге, Госгортехнадзор России, 16.05.1997 г.

8. Рекомендации. Организация и функционирование системы специальных наблюдений за состоянием природной среды в районах развития угледобывающей промышленности и сопутствующих производств. Москва, Росгидромет, 1999, стр. 14-15.

9. Лежнев А.С. Автоматизированная система мониторинга атмосферы и контроля источников загрязнения (АС-МАКИЗ), // www.intellect.csti.ru/objects.asp?num=83-005.

10. Поздняков А.И., Вольперт Я.Л. Анализ воздействия алмазодобывающей промышленности на окружающую среду Северо-Западной Якутии // Проблемы региональной экологии. - 2008. - №2. - С. 24-28.