Геоинформационно- аналитический комплекс для обеспечения медико-экологического мониторинга воронежа

      Комментарии к записи Геоинформационно- аналитический комплекс для обеспечения медико-экологического мониторинга воронежа отключены

Геоинформационно- аналитический комплекс для обеспечения медико-экологического мониторинга воронежа

С. А. Куролап, П. М. Виноградов, О. В. Клепиков

Современные большие города — центры острейших экологических неприятностей, а техногенное загрязнение муниципальный среды есть объектом постоянного мониторинга региональных природоохранных ведомств. Действенная организация муниципальных совокупностей медико-экологического мониторинга (мониторинга действия вредных факторов среды обитания на здоровье население) вероятна только на базе современных геоинформационных разработок, предоставляющих достаточный комплект инструментов для анализа и сбора информации, принятия и составления прогнозов на их базе управленческих ответов для минимизации экологического риска [1].

Целью данной работы есть создание специального геоинформационно- аналитического комплекса для обеспечения задач медико-оценки и экологического мониторинга угрозы для здоровья населения при действии веществ, загрязняющих городскую среду. В качестве модельного города выбран наибольший промышленный центр Черноземья — город Воронеж с населением более 1 млн человек.

Разработка комплекса «МЕД-ЭКО ГИС» г. Воронежа осуществляется в программной среде ГИС MapInfo Professional. В качестве картографической базы использована топографическая карта г. Воронежа масштаба 1:20 000. Карта привязана к местной совокупности координат Воронежской области (МСК-36). Все объекты карты разбиты на семь главных тематических слоев:

  • растительность (внутригородские и пригородные зеленые массивы, парки, скверы, формирующие «зеленый каркас» муниципальный агломерации);
  • гидрография (главными объектами этого слоя являются Воронежское водохранилище, постоянные и временные водотоки);
  • жилые кварталы города (кварталы жилой муниципальный застройки), разрушенные на 3 функциональные территории:

– центральная историческая часть города, включая публично-деловую застройку и «ветхую» 5-этажную застройку 1950–1970-х гг.;

– кварталы с современной многоэтажной застройкой;

– частный сектор: в основном одноэтажная и коттеджная жилая застройка;

  • промышленные территории (площади, занятые предприятими, и территории санитарно-защитных территорий);
  • кварталы населенных пунктов, присоединенных к Воронежу в 2010 г. (села Никольское, Подгорное, Репное);
  • главные автомагистрали (самые крупные и загруженные транспортом улицы Воронежа);
  • другие транспортные коммуникации (мосты и железные дороги, выделенные в отдельный слой).

Созданная картографическая база есть полноценной цифровой картой и разрешает осуществлять привязку к ней любой тематической информации (рис. 1).

Рис. 1. Цифровая карта Воронежа

Наиболее значимым этапом в создании совокупности экологического мониторинга есть сбор медико-экологической информации и формирование тематических баз данных (БД).

БД являются совокупностью данных разного типа: стабильных и динамических. К стабильным относятся эти по источникам техногенного риска. Динамические включают в себя информацию о состоянии внешней среды (уровень качества воздушного бассейна, загрязнение почвенного покрова, биоиндикационные проявления) и информацию о состоянии здоровья населения (настоящая и потенциальная, прогнозируемая заболеваемость населения).

БД по техногенному загрязнению воздушного бассейна складывается из двух частей: эти по концентрации загрязняющих веществ в воздухе и в снежном покрове. Главным источником информации для изучений помогали фондовые эти региональной совокупности социально-гигиенического мониторинга. База данных «Уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Воронежа» организована согласно данным мониторинга, что осуществлялся аккредитованным испытательным лабораторным центром (АИЛЦ) ФБУЗ «эпидемиологии и Центр гигиены Воронежской области» и Воронежским ЦГМС — филиалом ФГБУ «Центрально-Черноземное управление по мониторингу и гидрометеорологии внешней среды».

БД по приоритетным загрязнителям (оксид углерода, оксид азота, диоксид азота, диоксид серы, пыль, фенол, сажа, формальдегид и другие ингредиенты) формировалась в электронной таблице Микрософт Excel, после этого привязывалась к картооснове. БД по загрязнению снежного покрова создана по итогам химического анализа, совершённого в зимние периоды с 2012 по 2014 г. на базе учебно-научной эколого-аналитической лаборатории факультета географии, туризма и геоэкологии Воронежского национального университета.

На протяжении первого анализа (февраль 2013 г.) был произведен отбор 27 проб снега, условно распределенных по пяти функциональным территориям города с различной степенью техногенного действия. В феврале 2014 г. был произведен отбор 48 проб — практически вдвое больше. Информация по второй части БД кроме этого привязана к картооснове методом геокодирования химического анализа снежного покрова.

База по источникам техногенного действия, как и БД по техногенному загрязнению воздушного бассейна, складывается из двух подразделов: эти по промышленным объектам и по автотранспорту. Подраздел, включающий эти по промышленным объектам, создан на базе кадастра главных предприятий Воронежа (эти Управления Росприроднадзора по Воронежской области), содержит полные заглавия фирм, их адреса, класс вредности, валовой выброс загрязняющих веществ в процент и атмосферу от общего выброса.

Тематическая информация этого подраздела БД привязана к пространственно-координированным графическим объектам соответствующего слоя цифровой картоосновы. Второй подраздел содержит данные по улично-дорожной сети города. Ко мне входит список главных, самые крупных улиц с указанием средней интенсивности движения машин (количество машин в час), выбросов загрязняющих категории и веществ, к которой относится улица.

Категории присвоены улицам в зависимости от интенсивности движения машин, средней скорости потока, длины полос дороги и количества движения. Выбросы загрязняющих веществ вычислены с учетом района и категории размещения улицы [3].

Обычный функционал ГИС MapInfo Professional предоставляет возможность создавать анализ имеющейся информации на базе ее графического представления. Наглядно продемонстрировать это смогут, к примеру, тематические карты минерализации снеговых вод, выстроенные по БД техногенного загрязнения снежного покрова.

Карты являются интерполированную поверхность, созданную различными способами, с выстроенными изолиниями (при помощи приложения «Поверхность»). В ГИС MapInfo употребляются два способа интерполяции: способ обратных взвешенных расстояний (Inverse Distance Weighting — IDW) и нерегулярной сети треугольников (Triangulated Irregular Network — TIN).

По опыту построения аналогичных тематических поверхностей возможно сделать вывод, что для карт, основывающихся на данных по точкам, свободным и не воздействующим друг на друга (какими являются эти загрязнения снежного покрова), к тому же пребывающим на большом удалении друг от друга, более приемлемым был способ IDW (рис. 2). Необходимо подчеркнуть, что имеется возможность получения информации из любого места уже готовой поверхности, что очень комфортно при отсутствии достаточно густой сети точек.

Рис. 2. Карта минерализации снеговых вод, выстроенная способом IDW-интерполяции

Кроме построения поверхностей, MapInfo располагает богатым комплектом вторых инструментов для анализа информации БД. К ним направляться отнести средства, разрешающие сортировать эти, создавать выборку по заданному условию (создание SQL- запросов).

Задание SQL-запросов применяется при ответе совсем различных вопросов, например, данный инструмент будет нужен при необходимости обнаружения промышленных объектов, выброс загрязняющих веществ в воздух которых выше определенных установленных пределов. Вся тематическая информация, присвоенная графическим объектам в слоях, созданных в MapInfo, представляется в виде таблиц. Из этого и второе наименование слоев — таблицы.

Наряду с этим, создавая выборку определенных строчков в таблице, возможно видеть и сами объекты на карте, которым соответствуют эти строки. Кроме этого возможно просмотреть данные об интересующих объектах, воспользовавшись инструментом «Информация». В том случае, если необходимо вычислить суммарные величины (показатели и статистические средние) по нескольким объектам, активируем окно «Статистика».

Главное преимущество данной функции пребывает в том, что окно остается активным кроме того тогда, в то время, когда мы трудимся с картой, что разрешает выбирать объекты в произвольном порядке, снимать выделение с одних объектов, выбирать другие и всегда получать статистические показатели по данной выборке. Существует возможность расчета интегральных показателей с внесением вычисленных размеров в таблицу. За эту функцию отвечает инструмент «Обновить колонку».

Примером его применения может служить расчет индекса загрязнения атмосферного воздуха. Кроме этого серьёзной функцией есть построение буферных территорий (к примеру, санитарно-защитных территорий предприятий).

Обрисованные функции и штатные инструменты, не смотря на то, что это только часть всего комплекта средств ГИС MapInfo, предоставляют большой выбор возможностей для анализа БД. Но кроме того применение всего арсенала инструментов ГИС может оказаться недостаточным ввиду отсутствия определенных функций, нужных в данной обстановке, или метод ответа некоторых задач предполагает солидной количество однотипных операций, создаваемых вручную.

В этом случае приходится прибегать к применению языков программирования. В среде MapInfo таким инструментом есть MapBasic.

В ходе работ по созданию цифровой картографической базы появился вопрос о неудобстве постоянного переключения между инструментами «Выбор» и «Сдвиг» методом нажатия на соответствующие кнопки на панели инструментов. При оцифровке растрового изображения довольно часто нужно перемещаться по карте и выбирать определенные объекты. За исполнение этих функций отвечают эти инструменты.

Во многих программах (Topocad, EasyTrace) это неудобство устранено методом задания этим командам «тёплых клавиш». В нашем случае было решено пойти тем же методом.

В пункт горизонтального меню «Правка» были добавлены соответствующие команды, разрешающие переключать инструменты «Выбор» и «Сдвиг» нажатием особых клавиш на клавиатуре компьютера. Вторым примером применения MapBasic помогает создание БД по оценке угрозы для здоровья населения, связанного с химическим загрязнением атмосферного воздуха.

На базе информации БД по техногенному загрязнению воздушного бассейна средствами ГИС MapInfo Professional была произведена оценка потенциальной заболеваемости, предполагающая расчет показателей канцерогенного и неканцерогенного рисков для здоровья обитателей г. Воронежа. Методы оценки риска выбраны в соответствии с «Управлением по оценке угрозы для здоровья населения при действии веществ, загрязняющих внешнюю среду» (P 2.1.10.1920 – 04) [2].

Но эта оценка предполагала совершение громадного количества операций, что существенно увеличивало временные затраты на дополнение информации и постоянное обновление, в особенности с учетом того факта, что БД должна в любой момент быть в актуальном состоянии. Появилась необходимость автоматизации процесса. Для данной цели был создан модуль, разрешающий производить расчет количественной оценки угрозы для здоровья населения.

Этот модуль является приложением , при запуске которого в горизонтальном меню «MapInfo» добавляется пункт «Риск» справа от меню «Справка», и включает в себя три команды: «Создать таблицу Risks_MB», «Расчет экологического риска», и команду «Выход», завершающую работу программы.

Первая команда данного меню позволяет создать новый слой в проекции данной карты. Слой включает в себя пара графических объектов, размещение которых сходится с расположением постов наблюдения ЦГМС на карте. Команда «Расчет экологического риска» приводит к одноимённому диалоговому окну, включающее в себя пара выпадающих перечней.

В окне предлагается последовательно выбрать БД, на базе которой будет вестись расчет, и вид расчетного риска — канцерогенного либо неканцерогенного (рис. 3). Созданный модуль сводит к минимуму механический ручной труд, и возможность совершения неточностей при расчетах.

Рис. 3. Диалоговое окно «Расчет экологического риска»

Черта неканцерогенного риска проводилась с двух позиций: острого и хронического действия. Для характеристики неканцерогенного риска от действия на организм веществ использован коэффициент опасности (HQ), что рассчитывается как отношение фактической концентрации вредного вещества (Ci ) к референтной (надёжной) концентрации (RfCi ). Величина HQ1 говорит о возможности происхождения вредных токсических эффектов в организме. С учетом однонаправленности действия веществ на системы и органы людской организма рассчитывался индекс опасности (HI) по формуле:

HI=HQ1+HQ2+…+HQn ,

где n — число веществ однонаправленного действия.

Риск острого действия оценивался по большим значениям разовых концентраций. Риск хронического действия оценивался по среднему арифметическому значению больших разовых концентраций. Канцерогенный риск (CR) в течение судьбы определяется по формуле:

CR = ADD*SF ,

где ADD — средняя дневная доза в течение судьбы, мг/(кг*сутки);

SF — фактор канцерогенного потенциала, мг/(кг*сутки)-1.

Наряду с этим для оценки экспозиции избран главный путь поступления загрязняющих веществ в организм — ингаляционный.

Средняя дневная доза (ADD) рассчитывалась для двух возрастных групп (дети 6 взрослое население и лёт) в соответствии с рекомендациям, изложенным в управлении P 2.1.10.1920—04 [2].

Из контролируемых в атмосферном воздухе веществ шесть являются канцерогенами, для которых установлен фактор канцерогенного потенциала при ингаляционном действии (SFi ): формальдегид, свинец, сажа, хром (VI), 1,3-бутадиен, стирол.

При анализе данных по загрязнению воздушного бассейна за последние пять лет (2009–2013 гг.) распознано, что самая неблагоприятная обстановка характерна для транспортной функциональной территории. Превышения ПДК в данной территории отмечаются по содержанию оксида углерода, диоксида серы, диоксида азота, формальдегида, взвешенных веществ, фенола от 1,3 до 13,7 раза.

Для промышленной функциональной территории кроме этого свойственны превышения ПДК по содержанию оксида углерода, диоксида азота, формальдегида, взвешенных веществ, фенола от 1,2 до 5,3 раза.

В целом в транспортной территории превышения ПДК отмечены по содержанию шести веществ, в промышленной территории — пяти веществ, в центральной исторической жилой функциональной территории — трех веществ (оксида углерода, диоксида азота, взвешенных веществ), в жилых территориях с современной многоэтажной застройкой и на территории частного сектора — по содержанию лишь взвешенных веществ. Такая информационная картина есть закономерной и разъясняется преобладанием вклада в уровень загрязнения воздушной среды автомобильного транспорта. Помимо этого, привлекает внимание тот факт, что из жилых функциональных территорий самая неблагополучная обстановка сложилась в центральной исторической жилой функциональной территории, для которой характерна высокая транспортная нагрузка в сочетании с исторически реализованными устаревшими приемами градостроительного проектирования, а также узкими проезжими частями уличных магистралей, родным и плотным примыканием к ним строений, что ухудшает условия рассеивания выбросов от автотранспорта и повышает аэротехногенное загрязнение.

При оценке хронического действия установлено, что коэффициенты опасности, характеризующие неканцерогенный риск, превышали приемлемый уровень (HQ1) по 4 веществам (диоксид серы, диоксид азота, формальдегид, взвешенные вещества). самый значительный неканцерогенный риск обусловлен присутствием в атмосферном воздухе формальдегида (HQ для промышленной, транспортной и жилой функциональной территории соответственно 3,1; 3,1; 1,5–1,7).

При оценке однонаправленного действия веществ установлено, что неприемлемый уровень неканцерогенного риска (HI1) характерен для развития патологий органов дыхания, кроветворной совокупности, центральной нервной и иммунной совокупностей.

Превышения приемлемого уровня неканцерогенного риска (HI1) распознаны по системам и следующим органам: заболеваниям органов дыхания (HI — до 9,50 в промышленной функциональной территории), нарушениям иммунной совокупности (HI — до 5,24 в промышленной функциональной территории), заболеваниям крови (HI — до 2,34 в транспортной функциональной территории), заболеваниям центральной нервной совокупности (HI — до 1,29 в промышленной функциональной территории).

В целом по суммам коэффициентов опасности (?HQ), характеризующих неканцерогенный риск при хроническом ингаляционном действии загрязняющих веществ, неблагополучие самый выражено в промышленной и транспортной функциональных территориях: содержание вредных веществ выше фонового значения в 4,6 и 4,3 раза соответственно.

Оценка канцерогенного угрозы для здоровья населения, совершённая по имеющимся итогам лабораторных изучений качества атмосферного воздуха на территории г. Воронежа, продемонстрировала, что неприемлемые уровни личного канцерогенного риска (выше принятого в РФ, составляющего для загрязнителей атмосферного воздуха 1*10-4, т. е. одного случая онкологического заболевания на 10 тыс. человек) отмечаются по действию оксида хрома (VI) и 1,3-бутадиена.

В целом в промышленной функциональной территории отмечаются громаднейшие значения суммарного личного канцерогенного риска как для взрослого (4,89*10-3), так и для детского населения (4,38*10-3).

Так, созданный геоинформационно-аналитический комплекс возможно удачно использован в реализации автоматизированного экологического мониторинга муниципальный среды. Благодаря геоинформационным разработкам процесс анализа и обработки разноплановых пространственных данных происходит намного более оперативно, чем с применением классических способов, что оказывает прямое влияние на принятие действенных управленческих ответов в сфере обеспечения экологической безопасности города.

Анализ существующей совокупности мониторинга уровня загрязнения атмосферного воздуха г. Воронежа продемонстрировал, что она требует совершенствования. На данный момент контроль ведется по ограниченному списку веществ, систематически контролируются концентрации лишь 16 из них, что требует расширения спектра контролируемых веществ.

С возрастанием доли влияния выбросов от автомобильного транспорта на уровень загрязнения приземного слоя воздуха эта неприятность обостряется, потому, что выбросы автотранспорта усугубляют обстановку по уровню загрязнения воздуха как в промышленных, так и в жилых территориях [3]. Значительную проблему являются кроме этого автомобильные пробки, что содействует увеличению концентраций загрязняющих веществ в приземном слое воздуха.

Как мы знаем, понижение загрязнения воздушной среды транспортными средствами достигается многими способами. самые эффективными считаются поддержание и модернизация исправными совокупностей нейтрализации отработавших газов, нормативные ограничения, и применение другого горючего. Решение проблемы понижения загрязнения возможно лишь комплексным.

Для уменьшения уровня загрязнения атмосферного воздуха нужно кроме этого регулировать транспортные нагрузки на улицах города, делая их более равномерными. Самый загруженные участки транспортной сети нужно дублировать, прокладывая новые линии перемещения транспорта.

Охрана атмосферного воздуха от загрязнения выбросами промышленных источников включает в себя реализацию:

  • санитарно-организационных и санитарно- технических мероприятий (организация санитарно-защитных территорий, внедрение способов действенной очистки выбросов стационарных источников фирм от негативных загрязняющих веществ (газов, паров, аэрозолей);
  • совершенствование технологических процессов с целью уменьшения количества выбросов, внедрение малоотходных разработок;
  • обеспечение выполнения требований природоохранного законодательства, природоохранных и гигиенических нормативов.

Для понижения аэротехногенного оздоровления и риска муниципальный среды нужна целенаправленная экологическая политика, составными блоками которой смогут быть, во-первых, реконструкция транспортных сетей города с повышением их пропускной способности, улучшением качества дорожного покрытия, повышением средней скорости перемещения транспортных средств и созданием транспортных коридоров по типу современных «органических совокупностей» муниципального транспорта во многих городах Европы; во-вторых, изменение топливного баланса в теплоэнергетической индустрии с полным переходом на газ в качестве горючего; в-третьих, более высокое озеленение внутригородского пространства с внедрением в состав посадок газоустойчивых зеленых насаждений (тополя, ясеня и др.), и более широкое использование вертикального озеленения стен и крыш домов по опыту последовательности больших городов Европы, что разрешит снизить загрязнение воздушного бассейна вблизи автомагистралей.

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Куролап С. А. Воронеж: зоны и среда обитания экологического риска / С. А. Куролап, С. А. Епринцев, О. В. Клепиков и др. // Воронеж: Изд-во «Истоки». ? 2010. – 207 с.
  2. Управление по оценке угрозы для здоровья населения при действии веществ, загрязняющих внешнюю среду (P 2.1.10.1920 — 04). – М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России. ? 2004. – 143 с.
  3. Якушев А. Б. Экологическая оценка действия автотранспорта на воздушный бассейн городов Центрального Черноземья/ А. Б. Якушев, С. А. Куролап, М. А. Карпович // Воронеж: Научная книга. ? 2013. – 207 с.

Экологический мониторинг и ты. Эстонско-швейцарская программа сотрудничества.


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: