Космический мониторинг антропогенного воздействия в районе алмазодобывающей деятельности (на примере Мирнинского ГОК)

0

С. Г. Мышляков, О. С. Сизов, Е. Н. Горбачева, А. С. Скачкова, А. В. Габрашитова

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТ

Низкая устойчивость северных экосистем к различным формам антропогенной деятельности обусловлена низким видовым разнообразием, низкой биологической продуктивностью, обедненностью трофических связей и низкой устойчивостью северных организмов [1]. Все это приводит к тому, что естественное восстановление техногенно преобразованных биоценозов на Севере занимает большее количество времени по сравнению с экосистемами южных регионов, где выше продолжительность теплого периода и выше скорости геохимических и биологических процессов.

Основными формами воздействия алмазодобывающей промышленности на окружающую природу в условиях многолетней мерзлоты являются загрязнение водной среды, воздушного бассейна и отторжение земель. Антропогенное воздействие сопровождается нарушением и загрязнением значительных площадей природных ландшафтов, при этом значительную роль играет создание хвостохранилищ, отвалов пустых пород, разработка россыпных месторождений.

Одним из наиболее развитых в горно-промышленном отношении районов в Республике Саха (Якутия) является район деятельности Мирнинского ГОК (входит в состав АО «АЛРОСА»). Работы на коренном месторождении алмазов «Мир» (вблизи г. Мирного) были начаты в 1958 г. В 2001 г. отработка запасов кимберлитовой трубки открытым способом завершилась, отметка дна карьера в центральной части составила — 190 м (глубина карьера — 525 м). Начиная с 2009 г. добыча на месторождении ведется закрытым способом. Открытые горные работы на кимберлитовой трубке «Интернациональная» (16 км к юго-западу от г. Мирного) проводились с 1971 по 1980 г.; с 1999 г. добыча здесь также переведена на шахтный способ. Кроме этого, в настоящее время МГОК разрабатывает россыпи «Горное», «Ирелях», «Водораздельные галечники» и «Левобережная».

Впервые комплексные исследования в районе месторождения «Мир» и «Интернациональное» были проведены силами Института прикладной экологии Севера (ИПЭС) АН Республики Саха (Якутия) в 2001 г. Позже, в 2003 г., была выполнена работа по оценке влияния деятельности Мирнинского ГОК на окружающую среду и состояние селитебных территорий. В первую очередь внимание обращалась на биотическую составляющую биологических систем, которая ранее была менее всего изучена [2]. Подобные работы были продолжены в 2011 г. [3], их проведение планируется на регулярной основе и в будущем с периодичностью раз в 3 года. По результатам исследований издано большое количество работ, посвященных влиянию горной промышленности на почвы, растительность, животный мир, а также комплексной оценке трансформации экосистем [1]. Таким образом, на примере Мирнинского ГОК была реализована система комплексного наземного мониторинга состояния органического мира в районе деятельности старейшего алмазодобывающего предприятия России [4, 5].

В 2015 г. руководство АК «АЛРОСА» приняло решение о выполнении работ по картографированию и оценке состояния экосистем окрестностей г. Мирного с использованием дистанционных методов на основе высокодетальной космической съемки.

Работы выполнялись в летний период 2015 г. специалистами компании «Совзонд» и включали решение следующих задач:

  1. Поставка данных оперативной и архивной космической съемки на территорию, прилегающую к г. Мирному.
  2. Создание базовой планово-картографической основы (ПКО) масштаба 1:10 000.
  3. Создание серии тематических картографических произведений по результатам обработки данных космической съемки:
  • выявление изменений площадей антропогенных объектов (объекты недропользо- вания, дороги, участки сейсмопрофилей, здания, сооружения);
  • определение границ расположения объектов недропользования (карьеров, хвостохранилищ, терриконов, отвалов);
  • картографирование экологического состояния водоемов;
  • обнаружение участков водопроявления и обводненности территории;
  • выявление изменений почвенно-растительного покрова на основе дистанционного анализа биомассы;
  • картографирование деградации древесно-кустарниковой растительности.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА РАБОТ

В ходе выполнения работ территория была обеспечена двукратным покрытием панхроматическими и мультиспектральными изображениями с разрешением на местности не хуже 1 м за период апрель–сентябрь 2004 г. (QuickBird) и апрель–сентябрь 2014 г. (GeoEye-1), дополнительно была выполнена двукратная съемка RapidEye за 2013–2014 гг. (рис. 1, табл. 1).

1
Рис. 1. Съемка RapidEye за 2014 г.

 

Таблица 1. Сводная информация о снимках, использовавшихся в работе

Сенсор

Имя файла

Дата съемки

QuickBird QB_2004_06_08.tif 08.06.2004
GeoEye-1 GE_2014_08_31_PSH.tif 31.08.2014
RapidEye RE_2014-06-10.tif 10.06.2014
RapidEye RE_2013-06-09.tif 09.06.2013

Кроме высокодетальной съемки, для выявления крупных изменений в работе были задействованы также актуальные и архивные снимки со спутников Landsat- 5, 7, 8 за 1999−2014 гг. из архива Геологической службы США [6].

Ортотрансформирование всех полученных данных выполнялось с использованием RPC-коэффициентов и цифровой модели рельефа, созданной на основе топографической карты открытого пользования масштаба 1:200 000. Для снимков, по которым производились расчеты индексов и спектральный анализ, был проведен пересчет безразмерных значений пикселей (DN) в коэффициенты спектральной яркости (reflectance). Кроме этого, для снимков QuickBird-2 и GeoEye-1 было улучшено пространственное разрешение мультиспектральных каналов за счет использования панхроматического канала (паншарпенинг) (рис. 2), а также для удобства визуализации создана бесшовная ортомозаика в естественных цветах (RGB).

2
Рис. 2. а) Мультиспектральный снимок (1,65 м); б) панхроматический снимок (0,6 м); в) результат паншарпенинга

 

Технологическая схема процесса дешифрирования включала несколько этапов:

  1. Подготовительный этап, в ходе которого решались задачи:
  • поиска, заказа и предварительной обработка актуальной и архивной космической съемки (QuickBird, GeoEye-1, RapidEye и Landsat);
  • сбора картографических материалов — были собраны и обработаны топографические карты, схемы территориального устройства, а также границы кадастровых выделов;
  • сбора и изучения литературных источников – отчетов о работах по оценке современного состояния экосистем и научных публикаций.

В ходе предварительного изучения материалов были намечены точки интереса и составлены маршруты полевого обследования.

  1. Полевой этап, который заключался в проведении осмотра и описании ключевых эталонных участков. В ходе осмотра выполнялось описание рельефа, растительности, определялось наличие и степень антропогенного воздействия, проводилось фотографирование общей ситуации, а также объектов, которые не отображаются на космических снимках. Всего было обследовано более 140 точек (рис. 3), включающих участки загрязнения водоемов, участки водопроявления и обводненности участки деградации лесной растительности, а также объекты горнодобывающей инфраструктуры.
3
Рис. 3. а) Маршрут (зеленый цвет) и точки (бордовый цвет) полевого обследования; б) описание ключевого участка (эталона)

 

  1. Камеральный этап, суть которого состоит в распознавании объектов на снимках в лабораторных условиях, путем сопоставления изображения с имеющимися эталонами и знаниями дешифровщика. В работе использовалось четыре основных метода извлечения тематической информации:
  • автоматическое дешифрирование;
  • экспертное (визуальное) дешифрирование;
  • создание и анализ разновременных композитов;
  • расчет и анализ индексных изображений.

К примеру, процесс выявления изменений лесного покрова и последствий антропогенного воздействия был основан на анализе разновременных композитов — изображений, сочетающих снимки за различные даты в одном или нескольких спектральных диапазонах. При этом разные цвета на изображении соответствуют положительным или отрицательным типам изменений на местности (рис. 4).

4
Рис. 4. Пример выявления изменений: а) снимок 2004 г.; б) снимок 2014 г.; в) разновременной композит (изменения отображаются красным цветом)

 

Таким образом, используемые методы и приемы обработки позволили максимально учесть все природные и антропогенные особенности территории и получить в итоге достоверные результаты.

РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ И ОБСУЖДЕНИЕ

  1. Создание базовой планово-картографической основы (ПКО) масштаба 1:10 000 позволило получить детальную топологическую модель, достоверно отражающую текущее состояние местности.

Среди основных категорий земель большая часть площади занята лесами — 19 459,71 га (62,58%), при этом свежие гари занимают 137,49 га и приурочены к северной и северо-западной частям исследуемого участка.

Земли, занятые добычей полезных ископаемых (карьеры, отвалы, терриконы, хвостохранилища, кустовые площадки добычи нефти, поля дражной разработки алмазов и узлы обратной закачки карьерных вод), занимают 2 931,07 га (9,43%). Самыми распространенными типами объектов в данной категории являются участки дражной разработки (1 144,47 га), расположенные в пойме реки Ирелях и хвостохранилища (888,86 га).

Общая площадь нарушенных в процессе строительства и добычи полезных ископаемых земель составляет 1 154,11 га (3,71%). Как правило, данная группа земель примыкает к участкам, занятым горнодобывающей инфраструктурой.

Объекты жилой и промышленной застройки занимают 1727,60 га (5,56%). В основном это здания жилой малоэтажной и усадебной застройки, промышленные объекты, улично-дорожная сеть и зеленые насаждения в городской черте.

Полученные результаты в целом свидетельствуют о достаточно сильном техногенном влиянии на окружающую среду и высокой преобразованности коренных ландшафтов в пределах района работ.

  1. В ходе анализа изменений (появление или исчезновение) антропогенных объектов (объекты недропользования, дороги, участки сейсмопрофилей, здания, сооружения) было выявлено 710 полигональных объектов общей площадью 188,2 га. Наибольшие трансформации связаны:
  • с землями под производственной и хозяйственной застройкой: общая площадь — 47,15 га, из которых вновь появилось 78% объектов;
  • со зданиями и сооружениями производственного и хозяйственного назначения: 42,46 га, из которых вновь появилось 70% объектов;
  • с улучшенными грунтовыми дорогами — 35,66 га, из которых вновь появилось 87% объектов.

Несмотря на большое количество объектов (244), общая доля площади изменений жилых малоэтажных зданий невелика и составляет 8,7% всех полигональных изменений.

Отдельно были выявлены изменения (появление или исчезновение) 114 линейных объектов общей протяженностью площадью 40,8 км. Большая динамика характерна для сейсмопрофилей — 17,3 км, а также связана с увеличением числа и протяженности трубопроводов — 11 км. Также по аналогии с полигональными объектами можно выделить рост на 6,4 км протяженности грунтовых дорог, представленных в силу незначительной ширины линейными объектами (появилось 89% объектов).

Большинство изменений сконцентрированы в черте г. Мирного (рис. 5) и связаны со строительством или сносом жилых и промышленных зданий. В пределах лесных участков характерны изменения, связанные с появлением сейсмопрофилей и лесных грунтовых дорог.

5
Рис. 5. Распределение изменений объектов недропользования, дорог, участков сейсмопрофилей, зданий, сооружений по территории работ (показаны голубым)

 

  1. Детальный анализ объектов инфра- структуры (карьеры, хвостохранилища, терриконы и отвалы) позволил выделить 88 объектов недропользования (5530,1 га). Треть общей площади (1877,9 га) занимают земли, нарушенные в результате дражной разработки россыпных месторождений алмазов. Более 20% от площади всех объектов занимают хвостохранилища фабрики №3 (законсервированное, к западу от фабрики, и действующее, к северу от фабрики). Значительную часть (19,5%) занимают поля дражной разработки, где добыча ведется в настоящее время либо велась в недавнем прошлом и следы добычи хорошо сохранились. Участки складирования породы (отвалы, терриконы) занимают около 10 % (556,8 га).

Большинство объектов недропользования локализованы на окраинах г. Мирного, на небольшом удалении находятся хвостохранилище фабрики №3, отстойники засоленных вод, поля дражной разработки, а также карьер, отвалы и рудник «Интернациональный». В западной части района выявлены локальные участки складирования вскрышных пород, образованные в процессе разведки нового месторождения.

За рассматриваемый период изменения коснулись 24 полигональных объектов недропользования общей площадью 435,9 га. Большая часть (60% ― 263,8 га) площадных изменений связана с расширением участков дражной разработки за 10 лет. Примерно одинаковые показатели динамики имеют хвостохранилища и карьеры (изменения составляют 16,1% и 15,3% соответственно) (рис. 6). При этом если для всех хвостохранилищ характерно увеличение площади, то для 4 из 7 выделенных карьеров фиксируется сокращение площади за счет прекращения добычи и естественного зарастания. Локализация изменений во многом соответствует расположению основных объектов недропользования.

6
Рис. 6. Увеличение площади разработки карьера «Прикарьерный»: а) снимок QuickBird, 2004 г.; б) снимок GeoEye-1, 2014 г

 

  1. Для построения растровых картосхем относительного содержания хлорофилла и мутности воды использовался снимок RapidEye за 10 июля 2014 г. Картосхемы строились по значениям коэффициента спектральной яркости на верхней границе атмосферы, что позволяет сравнивать значения, полученные в другое время с различных съемочных систем. Итоговые растры содержат значения яркости, соотнесенные с предполагаемым картографируемым явлением (мутность и содержание хлорофилла).

Минимальные и максимальные значения показателей качества воды близки для всех объектов (табл. 2).

Таблица 2. Показатели мутности воды и концентрации хлорофилла для различных типов водных объектов

t2

Средние значения мутности и концентрации хлорофилла самые низкие для Иреляхского водохранилища — распределение значений равномерно по зеркалу водохранилища, с некоторым ростом к берегу, а также в устьях впадающих в него ручьев. Ниже дамбы мутность воды в р. Ирелях высокая, а по течению реки сильно варьирует [7]. Это объясняет сильный разброс средних значений на различных участках русла. Также невысокие показатели содержания взвешенных частиц характерны для естественных озер. Худшее состояние демонстрируют технические водоемы (хвостохранилища) (рис. 7), искусственные водоемы в пределах производственных объектов и водопроявления (поверхностные скопления вод). Однако разброс значений сильно различается по каждому из объектов; кроме того, для водопроявлений в среднем характерно более высокое содержание хлорофилла.

7
Рис. 7. Картосхемы мутности воды (а) и содержания хлорофилла (б) в воде хвостохранилища фабрики №3

 

  1. Тематическую группу участков водопроявлений и обводненности можно разделить на два класса: водопроявления и обводнения ― скопления воды на поверхности, не отнесенные к водоемам, и заболоченные участки ― временно или постоянно переувлажненные места и/или болота.

Для обнаружения водопроявлений производилось автоматическое выделение водных объектов по нормализованному индексу влажности (NDWI) [8]. Индексные изображения были рассчитаны для снимков RapidEye и GeoEye за 2014 г.

Всего было обнаружено 372 участка водопроявлений (общая площадь 123,4 га) и 35 участков заболачивания (общая площадь 190 га). Большая часть водопроявлений сосредоточена в местах бывших производственных объектов – на рекультивированных, нарушенных или заброшенных промышленных землях (рис. 8 а). Многочисленны водопроявления в естественных условиях (23%), а также в местах действующих производственных объектов (23%) и складирования отходов (11%). Нежелательные обводнения выявлены в непосредственной близости к объектам транспортной инфраструктуры (дороги, трубопроводы, линии ЛЭП) и составляют 14% от общего количества. Характер распределения заболоченных земель немного различается (рис. 8 б): более трети (35%) участков связаны с транспортными объектами, 31% формируется в естественных или близким к ним условиях. В пойме реки образование заболоченных участков связано как с влиянием водохранилища и дражной разработки, так и с естественными причинами.

8
Рис. 8. Распределение водопроявлений и обводнений (а) и заболоченных участков (б)

 

  1. Картографический слой изменений почвенно-растительного покрова за 2004– 2014 гг. включает в себя участки исчезновения и появления растительности. Для создания слоя было выполнено автоматическое дешифрирование растительности на разновременных снимках (методы Maximum Likelihood и Spectral Angle). Полученные покрытия растительности за 2004 и 2014 гг. были откорректированы вручную, путем визуального дешифрирования. Обнаружение изменений по двум разновременным растрам (2004, 2014 гг.) выполнялось с использованием алгебры карт. Корректировка полученных покрытий производилась визуальным способом.

По результатам анализа можно сделать вывод, что за 10 лет (с 2004 по 2014 г.) в районе работ произошел прирост растительности (общая площадь — 1326,3 га), что обусловлено в первую очередь процессами естественного лесовосстановления (зарастание вырубок под ЛЭП, заброшенных карьеров, дачных участков и т. д.). Площадь участков исчезнувшей растительности — 1061 га. Исчезновение растительности обусловлено главным образом антропогенной нагрузкой на территорию (сведение лесов под горнодобывающую инфраструктуру, гибель растительности вблизи отстойников минерализованных вод и участков прорыва пульпопроводов, строительство ЛЭП) (рис. 9).

9
Рис. 9. Обнаружение участков исчезновения растительности: а) снимок QuickBird, 2004 г.; б) снимок GeoEye, 2014 г.; в) участки исчезновения растительного покрова

 

  1. Картографирование деградации лесной растительности выполнялось путем выделения различных классов состояния — растительность без признаков деградации, деградированная и погибшая.

Под деградированной растительностью понимается растительность, подвергшаяся антропогенному (разлив пульпы, увеличение площади отстойника минерализованных вод) или природному (заболачивание, пожары) негативному воздействию, вызвавшему ее угнетение. Погибшая растительность — подвергшаяся антропогенному или природному негативному воздействию, вызвавшему ее полное усыхание и гибель.

Итоговый слой был получен на основе индексного изображения NDVI, созданного по данным снимкам RapidEye. Полученные контура корректировались на основе данных GeoEye и контуров базовой планово-картографической основы. В качестве дополнительного дешифровочного признака погибшей растительности выделялась текстура изображения сверхвысокого пространственного разрешения, характерная для областей скопления усохших стволов деревьев.

На исследуемой территории участки нарушенной растительности (деградированной и погибшей) занимают площадь, равную 1285 га. Из них 70% — участки деградированной растительности, 30% — погибшей. При этом участки деградации занимают 4% от общей площади, занятой лесами и древесно-кустарниковой растительностью, погибшей — 1,6%.

Анализ пространственного распространения участков погибшей и деградированной растительности показал, что основные площади нарушения растительного покрова приурочены к областям гарей, заболачивания, засоления почвенного покрова и расположены чаще всего в непосредственной близости от промышленных объектов (пульпопроводов, отстойников минерализованных вод, дорог и т. д.).

ВЫВОДЫ

Таким образом, дистанционные методы экологической оценки состояния территории позволят оперативно получать сведения о возможном негативном воздействии на окружающую территорию и своевременно принимать природоохранные меры. Доступ к архиву спутниковых снимков открывает широкие возможности для проведения ретроспективных исследований состояния экосистем, анализа динамики происходящих изменений.

В целом в ходе работ получены объективные сведения об изменениях, произошедших в Мирнинском районе промышленной разработки алмазов за десятилетний период (2004−2014). Полученные результаты составляют единую базу геоданных, которая может служить основой для мониторинговых исследований в будущем, а также использоваться для текущего анализа экологического состояния совместно с результатами наземных экологических изысканий.

Представляется важным продолжение и расширение подобных работ, в том числе на месторождениях в Республике Саха (Якутия), находящихся на начальных стадиях разработки (трубки «Нюрбинская», ― Ботуобинская» и др.).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Состояние наземных экосистем в районе деятельности горнодобывающих предприятий АК «АЛРОСА» (ОАО) / Я. Л. Вольперт, Е. Г. Шадрина, Г. Н. Саввинов и др. // Горный журнал. — 2012. — №2. — С. 84−87.
  2. Поздняков А. И., Вольперт Я. Л. Анализ воздействия алмазодобывающей промышленности на окружающую среду Северо-Западной Якутии А. И. Поздняков, Я. Л. Вольперт // Проблемы региональной экологии. — 2008. — № 2. — С. 24–28.
  3. Отчет по теме НИР: «Оценка современного состояния экосистем в зоне деятельности Мирнинского ГОКа» ФГНУ ИПЭС. ― Якутск, 2011.
  4. Вольперт Я. Л. Основные направления минимизации воздействия алмазодобывающей промышленности Якутии на окружающую среду Я. Л. Вольперт, Г. А. Мартынова // Горный журнал. — 2011. — №1. — С. 100–102.
  5. Отчет по теме НИР: «Оценка современного состояния экосистем в зоне деятель- ности Мирнинского ГОКа» ФГНУ ИПЭС. Якутск, 2014.
  6. Global Visualization Viewer. URL: http:// glovis.usgs.gov/ (дата обращения: 08.04.2015).
  7. Вольперт Я. Л. Трансформация наземных экосистем в результате воздействия алмазодобывающей промышленности // Успехи современного естествознания. — 2012. — № 11 (1). — С. 80–82.
  8. MacFeeters S. K. The use of Normalized Difference Water Index (NDWI) in the delineation of open water feature //International Journal of Remote Sensing. ― 1995. Т. 17. — №. 7. — С. 1425–1432.