Помощь студентам в учебе
КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ АКВАТОРИИ НЕВСКОЙ ГУБЫ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
|
ВВЕДЕНИЕ
1. НЕВСКАЯ ГУБА – ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕРРИТОРИИ 5
1.2. Антропогенные видоизменения прилегающей территории
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР РАНЕЕ ПРОИЗВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
2.1. Опыт оценки эвтрофирования по данным ДЗЗ и исследования Невской губы на предмет эвтрофикации
2.2. Опыт оценки температурных изменений поверхности вод по данным ДЗЗ и исследования температуры вод Невской губы
2.3. Показатели, используемые для оценки экологического состояния
2.3.1. Динамика температуры поверхности вод
2.3.2. Зарастание водными макрофитами
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
3.1. Характеристики материалов и оборудования, использованного при исследовании
3.1.1. Снимки спутников Landsat 5-8
3.1.2. Данные, предоставляемые сервисом CopernicusMarine 18
3.2. Методика проведения исследования
3.2.1. Методика оценки зарастания водными макрофитами по данным Landsat
3.2.2. Оценка изменения температуры поверхности воды
4. ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Динамика зарастания акватории водными макрофитами
4.2. Динамика температуры поверхности воды
4.2.1. Оценка пространственного распределения температуры поверхности вод
4.2.2. Динамика температуры поверхности вод за 30 лет
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. НЕВСКАЯ ГУБА – ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ТЕРРИТОРИИ 5
1.2. Антропогенные видоизменения прилегающей территории
2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР РАНЕЕ ПРОИЗВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 10
2.1. Опыт оценки эвтрофирования по данным ДЗЗ и исследования Невской губы на предмет эвтрофикации
2.2. Опыт оценки температурных изменений поверхности вод по данным ДЗЗ и исследования температуры вод Невской губы
2.3. Показатели, используемые для оценки экологического состояния
2.3.1. Динамика температуры поверхности вод
2.3.2. Зарастание водными макрофитами
3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
3.1. Характеристики материалов и оборудования, использованного при исследовании
3.1.1. Снимки спутников Landsat 5-8
3.1.2. Данные, предоставляемые сервисом CopernicusMarine 18
3.2. Методика проведения исследования
3.2.1. Методика оценки зарастания водными макрофитами по данным Landsat
3.2.2. Оценка изменения температуры поверхности воды
4. ОПИСАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1. Динамика зарастания акватории водными макрофитами
4.2. Динамика температуры поверхности воды
4.2.1. Оценка пространственного распределения температуры поверхности вод
4.2.2. Динамика температуры поверхности вод за 30 лет
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЯ 39
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Своей деятельностью человек преобразует естественную среду обитания. Во многих случаях эти изменения являются критическими и необратимыми. За последние 30 лет в связи с повышенными темпами индустриализации город Санкт-Петербург значительно расширил свою инфраструктуру. Антропогенно-измененные территории соседствуют с естественными ландшафтами и постепенно замещают их.
В качестве объекта исследования выступает непосредственно прилегающий к Санкт-Петербургу крупный водный объект – Невская губа. Выгодное территориальное расположение (восточная часть Финского залива) сделало Невскую губу и ее окрестности стратегически важной территорией, что и послужило причиной ее активной эксплуатации для нужд человека начиная с основания Санкт-Петербурга в 18 веке. Сейчас Невская губа – ключевой элемент судоходства, а также промышленной и хозяйственной деятельности города.
Учитывая интенсивную антропогенную нагрузку, остро стоит вопрос об изменениях ее экологического состояния. Экологическое состояние изменяется как по естественным причинам, в связи с переходом водного объекта к следующей фазе своего развития, так и за счет антропогенных факторов, вызванных влиянием промышленной застройки береговой линии. Именно изменения, вызванные антропогенными факторами, имеют наиболее серьезные последствия. Однако данные полученные, в советское время и период перестройки не отличаются полнотой и качеством. Поэтому в качестве альтернативного и приобретающего все большую актуальность сейчас метода получения данных в работе используются продукты космической съемки – дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Исследование изменений, вызванных антропогенными факторами, ставится в приоритет, и данные ДЗЗ предоставляют возможность отслеживания этих изменений по многим показателям (в том числе мутность воды, наличие веществ-загрязнителей и др.). Но большинство из них проводится на основе закрытых данных со специфичных коммерческих спутников, а также с применением сложных авторских алгоритмов. Именно поэтому за основу данной работы взято исследование по двум параметрам (температура поверхности вод и зарастание макрофитами акватории Невской губы), определение которых возможно с достаточной точностью при использовании снимков, находящихся в открытом доступе за период с 1980-х годов по настоящее время.
Основной целью работы является оценка изменений экологического состояния Невской губы за тридцатилетний период активного развития производственной сферы города в комплексе по выбранным показателям.
Основные задачи:
- проанализировать динамику зарастания акватории водными макрофитами, динамику и тренд температуры поверхности вод Невской губы;
- освоить технологию определения динамики и степени зарастания макрофитами водных объектов и методику определения изменений температуры поверхности воды по данным ДЗЗ и разработать необходимые процедуры;
- выявить закономерности пространственного распределения участков, подверженных зарастанию и температурному загрязнению, и оценить степень антропогенного влияния на это распределение;
- выявить возможные причины загрязнения;
- оценить степень влияния антропогенного фактора на изменения.
Как научное сообщество, так и общественность обеспокоены проблемой экологического состояния Невской губы. Актуальность работы состоит в комплексной оценке антропогенных факторов, вызывающих температурное загрязнение и зарастание акватории водными макрофитами, с учетом активного промышленного использования акватории.
В качестве объекта исследования выступает непосредственно прилегающий к Санкт-Петербургу крупный водный объект – Невская губа. Выгодное территориальное расположение (восточная часть Финского залива) сделало Невскую губу и ее окрестности стратегически важной территорией, что и послужило причиной ее активной эксплуатации для нужд человека начиная с основания Санкт-Петербурга в 18 веке. Сейчас Невская губа – ключевой элемент судоходства, а также промышленной и хозяйственной деятельности города.
Учитывая интенсивную антропогенную нагрузку, остро стоит вопрос об изменениях ее экологического состояния. Экологическое состояние изменяется как по естественным причинам, в связи с переходом водного объекта к следующей фазе своего развития, так и за счет антропогенных факторов, вызванных влиянием промышленной застройки береговой линии. Именно изменения, вызванные антропогенными факторами, имеют наиболее серьезные последствия. Однако данные полученные, в советское время и период перестройки не отличаются полнотой и качеством. Поэтому в качестве альтернативного и приобретающего все большую актуальность сейчас метода получения данных в работе используются продукты космической съемки – дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Исследование изменений, вызванных антропогенными факторами, ставится в приоритет, и данные ДЗЗ предоставляют возможность отслеживания этих изменений по многим показателям (в том числе мутность воды, наличие веществ-загрязнителей и др.). Но большинство из них проводится на основе закрытых данных со специфичных коммерческих спутников, а также с применением сложных авторских алгоритмов. Именно поэтому за основу данной работы взято исследование по двум параметрам (температура поверхности вод и зарастание макрофитами акватории Невской губы), определение которых возможно с достаточной точностью при использовании снимков, находящихся в открытом доступе за период с 1980-х годов по настоящее время.
Основной целью работы является оценка изменений экологического состояния Невской губы за тридцатилетний период активного развития производственной сферы города в комплексе по выбранным показателям.
Основные задачи:
- проанализировать динамику зарастания акватории водными макрофитами, динамику и тренд температуры поверхности вод Невской губы;
- освоить технологию определения динамики и степени зарастания макрофитами водных объектов и методику определения изменений температуры поверхности воды по данным ДЗЗ и разработать необходимые процедуры;
- выявить закономерности пространственного распределения участков, подверженных зарастанию и температурному загрязнению, и оценить степень антропогенного влияния на это распределение;
- выявить возможные причины загрязнения;
- оценить степень влияния антропогенного фактора на изменения.
Как научное сообщество, так и общественность обеспокоены проблемой экологического состояния Невской губы. Актуальность работы состоит в комплексной оценке антропогенных факторов, вызывающих температурное загрязнение и зарастание акватории водными макрофитами, с учетом активного промышленного использования акватории.
Таким образом комплексная оценка состояния Невской губы выявила ухудшение ее экологического состояния за последние 30 лет.
Разносторонние исследования позволили сделать ряд выводов об отрицательном влиянии антропогенного воздействия как фактора, способного вызвать смену биотического сообщества.
Проведенные исследования позволяют сделать ряд выводов:
1) Площадь, подверженная зарастанию макрофитами, увеличилась за период с 1985-2015 год почти в полтора раза;
2) Средняя температура поверхности вод за период с 1982-2011 год возросла примерно на 4 градуса Цельсия.
3) Очистные сооружения являются локальными очагами тепла по сравнению с фоновыми значениями на суше, а сбрасываемые ими сточные воды являются причиной возникновения участков теплового загрязнения, так как значительно превышают фоновые значения температуры воды в Невской губе;
4) Выявлено, что повышение температуры воды не является следствием глобального потепления климата, так как при оценке изменений температуры воздуха, непосредственно влияющей на температуры вод, возрастания не обнаружено. Следовательно, повышение температуры вод связано с температурным загрязнением вследствие антропогенного воздействия - сбросов сточных вод;
5) В сравнении с эталонной территорией, на которой минимизировано антропогенное воздействие, было обнаружено продление вегетационного периода водных макрофитов из-за сбросов сточных вод очистными сооружениями. Этот факт говорит о том, что антропогенное воздействие способствует зарастанию прибрежной зоны акватории;
6) Участки территории, подверженной зарастанию макрофитами, а также участки температурного загрязнения в большинстве случаев располагаются вблизи зон воздействия антропогенных объектов, в частности очистных сооружений, что доказывает влияние сбрасываемых сточных вод на процессы эвтрофикации;
Исследованные показатели, отражающие негативное воздействие на экологическое состояние Невской губы, обладают отчетливым положительным трендом. При этом антропогенное воздействие в значительной мере ускоряет естественные процессы заболачивания акватории.
В качестве основного пути решения этой проблемы можно предложить более качественную очистку сточных вод не только с точки зрения минимизации в них биогенного материала, но также и температурную очистку, приводящую сточные воды к фоновым значениям воды в Невской губе. Однако активное использование акватории и прибрежной зоны при судоходстве, создании намывных территорий и прочих вмешательствах также оказывает сильное влияние на качество вод. Своевременная коррекция таких проектов позволит сохранить Невскую губу в качестве природной экосистемы и избежать ее деградации.
Сейчас современные технологии (использование данных ДЗЗ, ГИС, разработка собственного программного обеспечения) позволяют оперативно и всесторонне изучать возникающие проблемы, отслеживать сложившуюся ситуацию и сравнивать данные, полученные за большие временные отрезки. Целью работы было не только изучение Невской губы, но и демонстрация доступных материалов и методик, позволяющих реализовать такое исследование.
Разносторонние исследования позволили сделать ряд выводов об отрицательном влиянии антропогенного воздействия как фактора, способного вызвать смену биотического сообщества.
Проведенные исследования позволяют сделать ряд выводов:
1) Площадь, подверженная зарастанию макрофитами, увеличилась за период с 1985-2015 год почти в полтора раза;
2) Средняя температура поверхности вод за период с 1982-2011 год возросла примерно на 4 градуса Цельсия.
3) Очистные сооружения являются локальными очагами тепла по сравнению с фоновыми значениями на суше, а сбрасываемые ими сточные воды являются причиной возникновения участков теплового загрязнения, так как значительно превышают фоновые значения температуры воды в Невской губе;
4) Выявлено, что повышение температуры воды не является следствием глобального потепления климата, так как при оценке изменений температуры воздуха, непосредственно влияющей на температуры вод, возрастания не обнаружено. Следовательно, повышение температуры вод связано с температурным загрязнением вследствие антропогенного воздействия - сбросов сточных вод;
5) В сравнении с эталонной территорией, на которой минимизировано антропогенное воздействие, было обнаружено продление вегетационного периода водных макрофитов из-за сбросов сточных вод очистными сооружениями. Этот факт говорит о том, что антропогенное воздействие способствует зарастанию прибрежной зоны акватории;
6) Участки территории, подверженной зарастанию макрофитами, а также участки температурного загрязнения в большинстве случаев располагаются вблизи зон воздействия антропогенных объектов, в частности очистных сооружений, что доказывает влияние сбрасываемых сточных вод на процессы эвтрофикации;
Исследованные показатели, отражающие негативное воздействие на экологическое состояние Невской губы, обладают отчетливым положительным трендом. При этом антропогенное воздействие в значительной мере ускоряет естественные процессы заболачивания акватории.
В качестве основного пути решения этой проблемы можно предложить более качественную очистку сточных вод не только с точки зрения минимизации в них биогенного материала, но также и температурную очистку, приводящую сточные воды к фоновым значениям воды в Невской губе. Однако активное использование акватории и прибрежной зоны при судоходстве, создании намывных территорий и прочих вмешательствах также оказывает сильное влияние на качество вод. Своевременная коррекция таких проектов позволит сохранить Невскую губу в качестве природной экосистемы и избежать ее деградации.
Сейчас современные технологии (использование данных ДЗЗ, ГИС, разработка собственного программного обеспечения) позволяют оперативно и всесторонне изучать возникающие проблемы, отслеживать сложившуюся ситуацию и сравнивать данные, полученные за большие временные отрезки. Целью работы было не только изучение Невской губы, но и демонстрация доступных материалов и методик, позволяющих реализовать такое исследование.