№ 3 (17) / 2024
Борис Чичков,
ученик 7 класса АНО ОШ ЦПМ, г. Москва
А.А. Федорина,
педагог дополнительного образования МАУ ДО «ДДТ «Юность» им. В.П. Макеева», Челябинская область, г. Миасс
Каждый раз, проезжая через г. Карабаш, я рассматривал «марсианские» пейзажи и думал, что исправить ситуацию с экологической обстановкой здесь уже невозможно. Но в 2021 г., проезжая мимо г. Лысой, я увидел, что рядом с трассой работают тракторы и разгребают землю. А потом на отдельных участках стала появляться зеленая трава. В 2022 г. работы по рекультивации территории вокруг Карабашского завода продолжились, положительные изменения стали еще заметнее. Мне стало интересно, действительно ли ситуация улучшается или это только красивая видимость? Оценить это достаточно сложно, надо много лет наблюдать за изменениями растительности, проводить химические анализы почвы и воды, а это дорого, долго и обычному школьнику недоступно. Занимаясь в кружке астрономии, я узнал, что вокруг Земли много различных спутников, делающих снимки поверхности. Эти снимки содержат много информации, которую можно расшифровать с помощью различных программ. Съемка из космоса ведется достаточно давно, и накопилось много снимков. Я решил попробовать оценить изменения в Карабаше, используя данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Цель работы – оценка изменения состояния растительности в окрестностях Карабашского медеплавильного завода с использованием данных дистанционного зондирования Земли.
Задачи:
1. Выбрать подходящие спутники, снимки и программное обеспечение для анализа состояния растительности.
2. Получить нужные снимки и подобрать методику их обработки.
3. Провести оценку состояния растительности в окрестностях Карабашского завода по данным обработки спутниковых снимков.
4. Проанализировать полученные результаты.
5. Оценить эффективность рекультивационных мероприятий, проводимых АО «Карабашский медеплавильный завод».
1. Деятельность АО «Карабашмедь», направленная на снижение негативного воздействия на окружающую среду
Карабашский медеплавильный завод, расположенный на современном месте, начал свою деятельность в 1910 г. До этого несколько раз были попытки пуска завода, но они оканчивались неудачей: не хватало руды, медь была низкого качества и т. д. В 1989 г. Приказом Министерства металлургии СССР производство остановили. В результате произошло снижение выбросов. В 1998 г. предприятие опять стало работать, что привело к резкому повышению выбросов веществ в атмосферу и негативному воздействию на почву и растительность. Основными выбросами «Карабашмеди» являются SO2, CO2, CuO, ZnO, Pb, As, NO2 [1]. В верхних слоях почв концентрации тяжелых металлов значительно превышают предельно допустимые концентрации (ПДК), повышена кислотность. В донных отложениях концентрируются Hg, Cd, Pb, Cu, Zn и As [2].
К 2001 г. восстановлены производство и инфраструктура предприятия, стала использоваться кислородная станция, что заметно снизило выброс в атмосферу пыли и мелких частиц [3]. С 2004 г. АО «РМК» вложила около 20 млрд рублей в модернизацию завода «Карабашмедь». С 2004 г. полностью заменена система газоочистки; вместо устаревшей медеплавильной печи сооружена новая современная печь; построена обогатительная фабрика для переработки шлаков; внедрена система оборотного водоснабжения; введен в эксплуатацию новый сернокислотный цех, который позволяет утилизировать отходящие металлургические газы; завершено строительство механизированного участка розлива меди; установлены новые конвертеры с газоплотными напыльниками. Благодаря этому количество выбросов снизилось в 20 раз по сравнению с 2000 г. [4]. Начиная с 2020 г. АО «РМК» анонсировало масштабную рекультивацию земель в окрестностях Карабаша. Под план рекультивации попадают: бесхозное хвостохранилище, которое примыкает к территории завода; хвостохранилище № 3; «Северный участок» (северный склон г. Лысой); «Южный участок» (ул. Пархоменко, Ржавый ручей, р. Сак-Елга) и территория г. Карабаш.
2. Вегетационный индекс как показатель состояния растительности
NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) – нормализованный относительный индекс растительности. Расчет NDVI основан на том, что солнечное излучение можно разложить в спектр по длине волн. Растения обладают способностью поглощать определенную часть спектра с помощью хлорофилла. Также листья могут отражать инфракрасную часть спектра с длиной волны 0,7-1,0 мкм. Это значит, что если растительность достаточно хорошо развита, то отражение в красной части спектра будет намного ниже, чем в инфракрасной части. На основе этого применяется следующая формула расчета индекса NDVI:
где NIR – отражение в ближней инфракрасной области спектра, RED – отражение в красной области спектра [5].
Расчет индекса можно провести, используя данные спутниковых снимков, полученных с таких спутников, как Landsat, Modis, Santinel, Aster, в различных геоинформационных программах. Для удобства восприятия используется цветовая шкала отображения индекса. Определенные значения индекса соответствуют типам растительного покрова (рис. 1, 2). Таким образом, по величине индекса NDVI можно определить состояние растительности или тип поверхности.
Рис. 1. Цветовая шкала NDVI
Рис. 2. Значения NDVI и соответствующие им типы растительного покрова
3. Материал и методы исследований
Для оценки состояния растительности в окрестностях Карабашского медеплавильного завода мы решили использовать спутниковые снимки различной давности со спутников Landsat-5 и Landsat-8. Выбор спутника основывался на том, что в сети Интернет есть много статей по обработке данных снимков.
Landsat-5 был запущен в 1984 г. и использовался до 2013 г., Landsat-8 был запущен в 2013 г. и используется до сих пор. Отбор снимков велся по двум основным критериям: отсутствие облаков и период съемки июнь-середина августа для максимального развития растительности. Исходя из этого, было отобрано 5 снимков со следующими датами съемки:
Для расчета индекса у снимков спутника Landsat-5 использовались каналы 3 (RED) и 4 (NIR), а у спутника Landsat-8 каналы 4 (RED) и 5 (NIR). Расчеты велись с помощью свободной программы QGIS 3.18.2-Zürich. Затем сравнивались полученные значения индексов за разные годы между собой с целью оценки изменения растительного покрова в окрестностях г. Карабаш в период с 1987 по 2022 гг. Проводился анализ изменения растительности после остановки завода в 1989 г. и начала внедрения природосберегающих технологий на заводе, а также рекультивации в 2022 г. с целью оценки эффективности этих работ.
4. Результаты исследований и их обсуждение
В результате обработки снимков разных лет были получены значения индекса NDVI, указанные в таблице 1.
Из таблицы видно, что происходит постепенное увеличение значения вегетационного индекса. Если в 1997 г. улучшение могло быть связано с остановкой работы завода в 1989 г., то в 2020-2022 гг. это может говорить об эффективности внедрения новых природоохранных технологий в производство. Увеличение площади, занятой значениями вегетационного индекса выше 0,2 (зеленый цвет), заметно при сравнении результатов расчета индекса. Особенно сильно заметны различия между 1987 и 2022 гг. Территория, покрытая растительностью, заметно увеличилась в 2022 г. по сравнению с 1987 г. Кроме того, усилилась интенсивность зеленой окраски, что свидетельствует об общем улучшении состояния растительного покрова. Также можно отметить, что максимальные значения NDVI находятся в пределах от 0,55 до 0,63, что соответствует средней степени развития зеленой массы (рис. 3). Рассмотрим результаты по отдельным участкам, подверженным загрязнению.
Рис. 3. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI, представленные в цветовой шкале
Бесхозное хвостохранилище, примыкающее к территории завода. В 2021-2022 гг. там велись рекультивационные работы. В результате расчета индекса NDVI в 1987, 1997 и 2013 гг. были получены значения от -0,007 до 0,01, что соответствует отсутствию всякой растительности (рис. 4).
Рис. 4. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для территории бесхозного хвостохранилища, представленные в цветовой шкале
В 2020 г. значение индекса практически по всей территории хвостохранилища превышает значение 0,1, достигая максимального показателя в 0,157, что соответствует границе между отсутствием растительности и низкой степенью её развития. В 2022 г. на отдельных участках значения возрастают до 0,205, что уже говорит о наличии растительности. Таким образом, можно сказать, что рекультивация хвостохранилища проходит успешно.
Хвостохранилище № 3. Расположено севернее предыдущего участка. Рекультивация его началась в 2021 г., велась отсыпка грунта. На рис. 5 видно, что значение NDVI в 19872020 гг. находятся в пределах значений цветовой шкалы от -1 до 0,02, что говорит о полном отсутствии растительности. В 2022 г. более половины территории находится в границах показателя 0,033-0,1, что уже ближе к появлению признаков растительности.
Рис. 5. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для территории хвостохранилища № 3, представленные в цветовой шкале
«Северный участок» (северный склон г. Лысой и ул. Пархоменко). На этом участке активные работы по рекультивации еще не ведутся. Тем не менее при анализе значений вегетационного индекса в период с 1987 по 2022 гг. хорошо видно, что эта территория активно зарастает. Площадь, занятая растительностью, заметно увеличивается, особенно в 2020-2022 гг. (рис. 6), что, видимо, связано с внедрением новых природосберегающих технологий на Карабашском заводе.
Рис. 6. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для «Северного участка» (северный склон г. Лысой и ул. Пархоменко), представленные в цветовой шкале
Максимальные значения индекса достигают значения 0,489, что соответствует средней степени развития растительности.
«Южный участок» (Ржавый ручей и р. Сак-Елга). На рисунке 7, полученном в результате анализа, можно заметить, что в пойме р. Сак-Елга происходит увеличение площади, покрытой растительностью.
В 2020-2022 гг. северо-западнее р. Сак-Елга происходит повышение интенсивности фотосинтеза.
Рис. 7. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для «Южного участка» (Рыжий ручей и р. Сак-Елга), представленные в цветовой шкале
Территория г. Карабаша. На снимках 1997 г. заметно, что увеличивается количество площади, занятой растительностью на территории самого г. Карабаша. В 2013 г. снова увеличивается площадь, не занятая растительностью, что говорит о повышении негативного воздействия (рис. 8).
Рис. 8. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для территории г. Карабаша, представленные в цветовой шкале
В 2020 г. повышается не только площадь, покрытая растениями, но и интенсивность развития растительности. Наилучшие показатели достигаются в 2022 г., когда максимальные значения индекса NDVI на территории города достигают значений 0,419, что соответствует средней степени развития зеленой массы.
Восточный склон г. Лысой. При анализе состояния растительного покрова на восточном склоне г. Лысой следует учесть, что негативные выбросы преимущественно осаждаются на более высоких участках склона западной экспозиции. В результате расчета NDVI можно заметить значительное восстановление растительности у подножия горы (рис. 9).
Рис. 9. Результаты расчета вегетационного индекса NDVI для восточного склона г. Лысой, представленные в цветовой шкале
Также увеличивается интенсивность фотосинтеза, что подтверждается повышением значений индекса до 0,433, что соответствует средней степени развития растительности. Таким образом, можно сказать, что экологическая обстановка в окрестностях Карабашского завода в последние годы стала улучшаться. Это подтверждается результатами расчета индекса NDVI в период с 1987 по 2022 г.
Выводы
1. Для анализа состояния растительности можно использовать вегетационные индексы, рассчитываемые на основе данных спутниковой съемки. Доступны снимки за более чем 35-летний период.
2. Наихудшее состояние растительности за исследованный период отмечено в 1987 г., когда завод эксплуатировался на полную мощность, а природосберегающие технологии не внедрялись.
3. В 1997 г. ситуация немного улучшается из-за того, что завод некоторое время не работал.
4. В 2020-2022 гг. наблюдается увеличение площади, занятой растительностью, и повышаются значения вегетационного индекса NDVI.
5. Работы по рекультивации и по внедрению природосберегающих технологий на Карабашском заводе положительно влияют на состояние растительности в окрестностях завода.
Список литературы
1. Бачурина А.В. Влияние промышленных поллютантов ЗАО «Карабашмедь» на состояние прилегающих лесных насаждений. Дисс. … канд. с.-х. наук / Уральский государственный лесотехнический университет. – Екатеринбург, 2008. 188 с.
2. Таций Ю.Г., Удачин В.Н. Воздействие выбросов металлургического производства на окружающую среду (на примере комбината Карабашмедь, Южный Урал). В книге: Ртуть и другие тяжелые металлы в экосистемах. Тезисы Всероссийской научной конференции и школы-семинара для молодых ученых, аспирантов и студентов. Отв. ред. Е.С. Иванова. – 2018. – С. 61-62.
3. Камалова Г.Т. «Карабашмедь» // Энциклопедия Челябинская область. Т. 3. – Челябинск, 2004. – С. 79-80.
4. Курбатова С.А. Экологические проблемы Урала на примере антропогенного загрязнения территории Челябинской области в результате «Кыштымской аварии» и развития медеплавильного завода «Карабашмедь». В сборнике: Международная научно-техническая конференция молодых ученых. Белгород, 2020. – С. 3132-3139.
5. Баширова Ч.Ф. Индекс NDVI для дистанционного мониторинга растительности / Ч.Ф. Баширова. – Текст : непосредственный // Молодой ученый. – 2019. – № 31 (269). – С. 30-31. – URL: https://moluch.ru/archive/269/61895/ (дата обращения: 21.11.2022).
