name: Оценка техногенной нагрузки на урбанизированные территории Байкальского региона средствами геоинформационных систем и физико-химического моделирования
keyword_list: геоинформационные системы геоэкология физико-химическое моделирование газопылевые выбросы атмосферное загрязнение
abstract: Составляющие окружающей среды (атмосфера, почвы, воды, живые организмы) испытывают воздействие техногенной нагрузки промышленных предприятий, являющихся источниками антропогенного воздействия. Совершенствование технологий производства и систем очистки промышленных выбросов обуславливает изменения состава газопылевых выбросов и степень их воздействия на природную среду. В частности, в производстве алюминия совершенствуются системы газоочистки, используются самообжигающиеся аноды, снижающие выбросы в атмосферу, меняются источники сырья, поступающие с различных месторождений. Это приводит к необходимости совершенствования способов контроля текущего состояния окружающей среды вблизи промышленных территорий. Развитие геоинформационных систем (ГИС) позволяет представить масштабы и степень техногенной нагрузки на исследуемую территорию.
  Поэтому представляется актуальным совершенствование методов количественной оценки состава техногенного загрязнения природной среды, основанное на ГИС, которое позволит перейти к новому уровню изучения окружающей среды – мониторингу почв, растительности, вод и снегового покрова, выделить динамику изменения полей распределения изучаемых факторов.
  На наш взгляд в геоэкологических исследованиях уделяется недостаточно внимания изучению форм существования элементов в газопылевых выбросах, атмосферных водах, редко анализируется и минеральный (фазовый) состав твердых аэрозолей. Формы существования элементов во многом определяют реальную экологическую опасность техногенного воздействия, накопление компонентов в почвах их вынос из зоны загрязнения поверхностными и грунтовыми водами и в результате атмосферного переноса. Сочетание ГИС и физико-химического моделирования (ФХМ) позволяет определить формы миграции и накопления наиболее опасных веществ, оценить динамику изменения состояния окружающей среды и открывает новые возможности геоэкологического мониторинга, позволяющие получать количественную оценку уровня загрязнения урбанизированных территорий и прогнозировать кратковременные и долговременные последствия этого воздействия. 
  Цель работы – разработка методики проведения геоэкологического мониторинга средствами геоинформационных систем и физико-химического моделирования процессов преобразования газопылевых выбросов в компонентах окружающей среды, определение степени потенциальной опасности техногенного воздействия на экосистему в целом.
  Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
  – проанализировать материалы ранее проведенных исследований и построить карты распределения компонентов в окружающей среде в окрестностях промышленных зон конкретных объектов Иркутско-Шелеховского района: Иркутского алюминиевого завода (ИркАЗ), Ново-Иркутской ТЭЦ и транспортных систем, необходимые для предварительной геоэкологической оценки;
  – разработать методику оценки техногенной нагрузки, позволяющую определять масштабы геохимических аномалий, идентифицирующих источники загрязнения, и оценить тенденции изменения этих аномалий, в том числе и после завершения действия источника;
  – разработать физико-химическую модель взаимодействия пылеаэрозолей, природных вод и почв;
  – определить преобладающие формы существования опасных и токсичных элементов в основных компонентах окружающей среды (почвы, природные воды, атмосфера);
  – разработать методику оценки техногенной нагрузки средствами ГИС и ФХМ.
  Научная новизна работы.
  •	Разработана методика оценки степени техногенного воздействия на основе программных средств физико-химического моделирования и геоинформационных систем, позволяющая определить площади техногенных геохимических аномалий и прогнозировать геоэкологические риски.
  •	Предложена структура геоинформационной системы, реализующая представление результатов физико-химического моделирования взаимодействия техногенных аэрозолей, природных вод и почв в виде пространственно-распределенных полей аномалий.
  •	С помощью физико-химического моделирования установлены формы токсичных элементов (оксиды, гидроксиды, фториды, хлориды и другие комплексные соли) на территории Иркутско-Шелеховского района и построены карты распределения их концентраций.
  Фактический материал и личный вклад. Фактический материал основан на данных, полученных автором в геоэкологических исследованиях, проведенных в Шелеховском и Иркутском промышленных районах Институтом геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН. Автор принимал участие в полевых работах с 2013 по 2017 гг. Основные результаты, изложенные в работе, получены лично диссертантом. Постановка задач, обсуждение методов, результатов и подготовка материала для публикаций проводилась совместно с научным руководителем и соавторами работ. Личный вклад автора в большинстве публикаций является определяющим.
  Практическая значимость работы. Результаты исследований особенностей распределения токсичных элементов в снеговом покрове и почвах г. Шелехов включены в раздел Государственного доклада о состоянии и об охране окружающей среды Иркутской области в 2017 г: «Научные исследования для решения проблем охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности». Разработанные методы могут быть использованы геоэкологическими службами промышленных предприятий для оценки степени техногенного воздействия и прогнозирования геоэкологических рисков.
  Полученные результаты являются частью исследований, проведенных в рамках проекта РФФИ и Правительства Иркутской области № 20-45-383003. Исследования выполнены в соответствии с тематическими планами ИГХ СО РАН № 0350–2014–0010, № 0350–2016–0033, № 0350–2019–0011 и № 0284-2021-0002.
  Положения, выносимые на защиту:
  1.	Модель загрязнения территорий Прибайкальского региона газопылевыми выбросами алюминиевой промышленности и предприятиями теплоэнергетики, которая позволяет установить элементы-идентификаторы источников загрязнения и закономерности формирования геохимически когерентных ассоциаций токсичных элементов в урбанизированных зонах и обеспечивает определение особенностей протекания геоэкологических процессов.
  2.	Информативные признаки системы «техногенные аэрозоли – природные воды – почвы»: основные физико-химические закономерности преобразования органического вещества почв (гумуса) под воздействием техногенных аэрозолей и формы существования элементов, в которых они мигрируют и концентрируются в почвах и природных водах.
  3.	Методы пространственной интерполяции, основанные на специализированной базе данных для обработки результатов физико-химического моделирования техногенных процессов системы «аэрозоли – природные воды – почвы» позволили получить информацию о геоэкологических параметрах состояния компонентов окружающей среды и построить образ геохимического поля для интерпретации результатов геохимического картирования. Термодинамическое моделирование позволяет принять оптимальные управленческие решения на основе экологических параметров и пространственных отношений.
  Основной результат исследований   это методика определения техногенных геохимических аномалий и прогноза геоэкологических рисков, созданная на основе совместного использования средств геоинформационных систем и результатов физико-химического моделирования взаимодействия газопылевых выбросов ТЭЦ и алюминиевого завода с природными водами и почвами.
  Предложен новый подход к интерпретации результатов физико-химического моделирования методами геоинформационных систем. Предлагаемый подход отличается следующими особенностями: результаты расчетов анализируются путем отбора множества сочетаний полученных данных о содержаниях компонентов в природных средах, наиболее полно характеризующих установившиеся в системе химическое равновесие. Ключевой операцией является выбор достаточного числа форм существования токсичных элементов в природных водах, почвах и растениях, с учетом корреляционных связей между их содержанием.
  Моделирование распределения компонентов в зонах загрязнения позволило установить закономерности формирования в этих зонах геохимически когерентных ассоциаций токсичных элементов. Образ геохимического поля, который используется для интерпретации результатов геохимического картирования, становится боле точным при использовании данных физико-химического моделирования в пространственной интерполяции.
  Определены ассоциации элементов-идентификаторов главных источников загрязнения окружающей среды. Установлено, что для отдельных элементов (F, Be, Al) наблюдаются аномальные содержания в зонах исследования, формы их существования различны в зависимости от источника. Определены отличия загрязнения сельскохозяйственных районов, районов алюминиевой промышленности и предприятий теплоэнергетики. Установлены формы существования элементов поллютантов (оксиды, гидроксиды, фториды, хлориды и другие комплексные соли), в которых они концентрируются в природных водах и почвах. Следовательно, можно заранее предсказать какие вещества будут накапливаться в техногенных зонах, а какие выносится вовне. Это позволяет определить миграционные способности токсичных соединений и рассчитать реальную техногенную нагрузку.
  Физико-химическое моделирование процесса взаимодействия газопылеаэрозолей и снеговых вод показало, что Ni, Cu, Mn и Cr накапливаются в трудно растворимых формах, а формы F, Cd, Sr и Pb, независимо от источника загрязнения, хорошорастворимы в воде и выносятся из почв. Установлено, что уровень содержания F, Al, Be, Na и As, присутствующих в водных растворах и минеральных фазах, не представляет серьезной экологической проблемы для территорий, более чем на 6 км удаленных от Иркутского алюминиевого завода. Загрязнение окружающей среды таким токсичными элементами как F, Be, Na в Иркутско-Шелеховском промышленном районе носит локальный характер. Анализ пространственного распределения техногенной нагрузки в Иркутско-Шелеховском промышленном районе показал, что в настоящее время возникли устойчивые локальные геохимические аномалии, позволившие установить главные источники загрязнения.
  Топливно-энергетический комплекс в сочетании с частным сектором поставляет в окружающую среду такие элементы как Si, Al, Fe, Mg, Mn, P, Zn, Cr, Cu, Ca, Sr в основном в виде твердых аэрозолей. Выбросы Иркутского алюминиевого завода отличаются высокими содержаниями Al, As, Ni, F, Cd, Be. Снеговым водам зоны воздействия ИркАЗ свойственны высокие содержания Na, F, Be, Li, Ni, Al, As.
chairman_dissertation_council.name: Николай
chairman_dissertation_council.surname: Бортников
chairman_dissertation_council.patronymic: Стефанович
chairman_dissertation_council.position: научный руководитель ИГЕМ РАН
chairman_dissertation_council.degree: Доктор геолого-минералогических наук
chairman_dissertation_council.rank: Академик
chairman_dissertation_council.wos_research_id: нет
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7003973651
chairman_dissertation_council.rinc_id: 1094
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Владислав
organization_supervisor.surname: Петров
organization_supervisor.patronymic: Александрович
organization_supervisor.position: директор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 87.15.03
rubrics.name: Теория и методы исследования загрязнения окружающей среды. Методы контроля загрязнения окружающей среды
rubrics.code: 87.15.15
rubrics.name: Влияние промышленности на окружающую среду и контроль загрязнения
rubrics.code: 87.15.21
rubrics.name: Влияние прочих источников загрязнения на окружающую среду и контроль загрязнения
rubrics.code: 87.15.91
rubrics.name: Региональные аспекты загрязнения окружающей среды
rubrics.code: 20.23.27
rubrics.name: Геоинформационные системы
oecds.code: 01.05.LE
oecds.name: GEOSCIENCES, MULTIDISCIPLINARY
oecds.code: 01.05.JA
oecds.name: ENVIRONMENTAL SCIENCES
oecds.code: 01.02.ET
oecds.name: COMPUTER SCIENCE, INFORMATION SYSTEMS
speciality_codes.name: Геоинформатика
speciality_codes.code: 25.00.35
supervisors.fio: Бычинский В.А.
supervisors.scientific_degree: Кандидат геолого-минералогических наук
supervisors.speciality_code: Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Гаськова О.Л.
opponents.scientific_degree: Доктор геолого-минералогических наук
opponents.speciality_code: Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Качор О.Л.
opponents.scientific_degree: Доктор технических наук
opponents.speciality_code: Геоэкология (по отраслям)
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ИГЕМ РАН
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ РУДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ, ПЕТРОГРАФИИ, МИНЕРАЛОГИИ И ГЕОХИМИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
protection_organization.ogrn: 1027739282812
protection_organization.supervisor_name: ВЛАДИСЛАВ
protection_organization.supervisor_surname: ПЕТРОВ
protection_organization.supervisor_patronymic: АЛЕКСАНДРОВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: ИГХ СО РАН
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ГЕОХИМИИ ИМ. А.П. ВИНОГРАДОВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
author_organization.ogrn: 1023801760564
author_organization.supervisor_name: АЛЕКСАНДР
author_organization.supervisor_surname: ПЕРЕПЕЛОВ
author_organization.supervisor_patronymic: БОРИСОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения