1 (32) | 2005 ГИС в экологии подземного хранения газа
Б.А. Ильичёв, С.Н. Жариков, Р.Б. Ильичёв, ООО «Подземгазпром», Москва,
E-mail: ilyichev@velnet.ru
Приступая к разработке природоохранной ГИС подземных хранилищ углеводородов в отложениях каменной соли - небольших, но интенсивно воздействующих на среду предприятий, - мы внимательно просмотрели подшивку ArcReview на предмет публикаций о природоохранных ГИС локального масштаба. Не о тех, что представляют собой оцифрованные карты мелких масштабов, а тех, что работают с пространством, в котором происходит трансформация среды на уровне реальных экосистем.
Следует признать, что таких публикаций очень мало. И не потому, что журнал их избегает, а потому, что задачи геоинформационной поддержки экосистемно ориентированного мониторинга локального масштаба достаточно специфичны. В отличие от сравнительно простых - из-за скудости информации - схематизированных (стратиграфия) и математизированных (подземных воды) моделей геологической среды, отображение состояний «поверхностных сред» требует слишком много эмпирических знаний и навыков. Они частично реализуются в работе «по понятиям» (в хорошем профессиональном смысле) с большим весом «ручных» техник. Кроме того, в публикациях на природоохранные темы часто опускается средно-технологическая специфика промышленных объектов. Поэтому они представляют бoльший интерес для «чистых» геоинформатиков, чем для пользователя, имеющего дело с реальной «плотью» географического пространства-времени. Этот аспект уже обсуждался в кулуарных беседах на конференциях, которые проводит DATA+.
 Схема подземного хранилища. |
В связи с неизбежным началом широкого использования ГИС-технологий в практике ОАО «Газпром», наша организация, в соответствии со своей объектной ориентацией, подошла к необходимости создания Концепции природоохранной ГИС для подземных хранилищ углеводородов в каменной соли (ПХкс). В настоящей публикации мы поместили свои представления о содержании этой работы с рядом тематических иллюстраций, выполненных с помощью программных продуктов ESRI.
Внедрение ГИС в практику нефтегазовых компаний, в том числе природоохранную, – актуальная и уже успешно решаемая задача сегодняшнего дня. ОАО «Газпром» тоже переходит от использования ограниченных статистических данных к информационной поддержке принятия управленческих решений в области природопользования. Начатая работа по формированию Корпоративного кадастра недвижимости (на начальном этапе – Корпоративного земельного кадастра) с неумолимой логикой ведет к созданию Корпоративной ГИС, ГИС субъектов Общества и отдельных предприятий. Актуальность природоохранных ГИС определена Концепцией современной системы управления природоохранной деятельностью ОАО “Газпром”. Однако на предприятиях Общества инициаторами внедрения ГИС являются, как правило, специалисты среднего – инженерного - звена, поэтому в VIP-эшелоне управленческие возможности ГИС осознаются достаточно слабо.
 Выделение областей выноса и аккумуляции потенциальных загрязнителей с поверхностным стоком в зоне возможного техногенного воздействия Волгоградского ПХГ. В равнинных условиях содержание загрязнителей в соседних не контрастных в рельефе местоположениях может различаться на порядки. |
Природоохранная ГИС - или ЭкоГИС - в оптимальном случае является модулем общей ГИС промышленных объектов разного уровня – от предприятия до корпорации – и представляет собой: а) инструмент многоаспектного управления природоохранной деятельностью; б) картографически достоверную документацию, сопрягаемую с любыми пространственно организованными данными предприятия и любых территориальных органов, и позволяющую определить зоны экологической ответственности и суммирования экологических эффектов, объемы и стоимость работ по охране окружающей среды (ООС) и т.д.; в) топологическую основу для пространственно-временного моделирования экосистемных и геологических процессов; г) базу данных производственных объектов предприятий и состояния окружающей среды. В силу комплексности и разнообразия экологической информации, формирование ЭкоГИС (особенно для задач территориального экосистемно ориентированного мониторинга) – достаточно сложно структурированная задача, требующая привлечения большой доли эвристического знания. Поэтому необходима разработка адаптированных концепций, технологий формирования, рабочих макетов и комплектов нормативно-методической документации для ЭкоГИС основных типов предприятий ОАО «Газпром» с выраженной спецификой средоизменяющего воздействия, обусловленной многообразием технологической специфики предприятий. Одним из таких высоко специфических объектов являются ПХкс.
Средоизменяющее влияние ПХкс и ГИС-поддержка экологического мониторинга. Подземные хранилища в каменной соли – экономически эффективный способ депонирования многих продуктов. На глубине до 1800 м в резервуарах с единичным объемом от 25 тыс. до 2 млн.м3, построенных размывом соли через буровую скважину, хранятся газообразные и жидкие продукты, захораниваются высокотоксичные и радиоактивные отходы. Размыв сопровождается: отбором нескольких миллионов кубометров подземных вод с формированием депрессионной воронки в водоносном горизонте; закачкой строительного рассола с концентрацией выше 300 г/л в глубокие горизонты с формированием зоны репрессии; проседанием поверхности над каверной; потерей строительного рассола и жидких нефтепродуктов в водоносные горизонты и на поверхность с засолением почв, нарушением растительного покрова, загрязнением поверхностных и подземных вод. Типичными поллютантами на ПХкс являются хлоридно-натриевые рассолы и нефтепродукты. Их потеря в окружающую среду при строительстве одного резервуара превышает nx100 м3, регламентированные же утечки при эксплуатации - до 10 тонн в год. Размыв хранилища до суммарного объема, в среднем 4-10 млн.м3 в течение 10-20 лет, определяет длительное воздействие загрязнителей.
 Идентификация объекта (буровой скважины) и его атрибутивная характеристика. |
Засоление почв, сохраняющееся в зависимости от климата n - 100n лет, инициирует деструктивные процессы экосистемного уровня: вторичное засоление почв, их ощелачивание, осолонцевание, осолодение, усиление эрозии, заболачивание в гумидном климате и др. Для оценки и прогноза состояний среды в зоне техногенного воздействия ПХкс необходим мониторинг пространственно дифференцированных состояний экосистем и их компонентов, базирующийся на методологии ландшафтной геохимии. Такой экологический мониторинг (ЭМ) возможен при наличии эффективного инструмента его информационной поддержки - ГИС экологического сопровождения проекта, трансформирующейся в природоохранную ГИС (ЭкоГИС) объекта. То есть формирование ЭкоГИС по типовому проекту начинается на стадии проектных изысканий.
Для ПХкс c зоной техногенного воздействия до 10 км2 уместен масштаб картографического представления 1:5 000 – 1:10 000. Основными аспектами применения ЭкоГИС при сопровождении инвестиционно-строительных проектов ПХ являются: а) создание документации проектных разработок на основе цифровой модели рельефа зоны техногенного влияния ПХ и производных покрытий, картографическое обеспечение проектных материалов; б) создание серии инвентаризационных картоидов с базой данных (БД) по всем компонентам экосистем и геосистем, в том числе по оценке природных ресурсов; в) создание картоидов устойчивости эко- и геосистем к видам антропогенного воздействия; г) поддержка управленческих решений - выбор стратегии проектирования, строительства и эксплуатации ПХ с учетом экономической и экологической составляющих; д) организация системы ЭМ на базе формирующейся ЭкоГИС с использованием материалов полевых наблюдений и, если это ситуационно оправдано, данных дистанционного зондирования. На работающем хранилище ЭкоГИС - инструмент информационной поддержки ЭМ, планирования и сопровождения природоохранной деятельности предприятия во всем ее объеме, экологического управления.
 Моделирование распространения аварийного выброса дизельного топлива при прорыве трубопровода для различных объемов выброса. |
Требования и информационные потребности БД ЭкоГИС ПХкс определяются Концепцией системы управления охраной окружающей среды ОАО «Газпром», требованиями подчиненных нормативных документов и ландшафтной геохимии как методологической основы ЭМ. Согласно им БД содержит 3 предметные области: 1) состояние Системы экологического управления на промышленном объекте; 2) экологические характеристики технологической системы объекта; 3) показатели состояния окружающей среды в зоне воздействия объекта. Организация информации подразумевает двух пользователей - экологическую службу предприятия и контролирующие органы, заинтересованные в фискальной отчетности. Принципиальная схема БД ЭкоГИС ПХкс приведена в табл. 1.
Таблица 1. Структура предметной области БД ЭкоГИС ПХ
Позиция |
Состав позиции |
|
А. Состояние системы экологического управления ПХ |
||
Руководящая документация |
Экологическая политика, программа, природоохранные задачи |
|
Мероприятия ООС |
Плановые и внеплановые мероприятия |
|
Статотчетность по природопользованию |
Фискальные формы: 2-ТП (воздух, водхоз, отходы, рекультивация), 4-ОС (затраты на охрану среды) и др. |
|
Аварийные ситуации |
Время, суть, экологические последствия, ущерб, реакция |
|
Экологические конфликты |
Контактеры, содержание контактов, реакция на инициативы контактеров |
|
Расходы на ООС |
Плановые, внеплановые, штрафные санкции (время, причина, размер) |
|
«Разрешительная» документация |
Лицензии на природопользование. Разрешения на применение, использование, хранение и транспортировку вредных и опасных веществ |
|
Нормативно-правовая документация |
Законодательная; нормативная; справочно-техническая; внутренняя природоохранная документация |
|
Экологическое страхование |
Сведения о договорах страхования и страховых событиях |
|
Экологический аудит |
Инициатор, время, результат, реакция |
|
Экологическая служба ПХ |
Структура, состав, распределение экологической ответственности |
|
Экологическое обучение |
Программы планового обучения: персоналии, тематика, сроки |
|
Б. Экологические характеристики технологической системы объекта |
||
Природопользование |
Горный и земельные отводы. Водопотребление и водоотведение |
|
Технологические установки |
Вредные и опасные для окружающей среды объекты и процессы |
|
Вредные и опасные в-ва |
Номенклатура и расход вредных и опасных веществ |
|
Выбросы, сбросы, отходы |
Источники загрязнения ОС. Расчетные нормы ПДВ и ПДС. Состав, объем, степень опасности выбросов, сбросов и отходов. Утилизация отходов. |
|
Организация сети производственного ЭМ |
Наблюдательная сеть на технологическом оборудовании. Метрологическое обеспечение ЭМ, лабораторная и приборная база, методическое обеспечение. |
|
В. Показатели состояния окружающей среды в зоне техногенного воздействия ПХ |
||
Базовая инвентаризация - инициальный этап ЭМ зоны техногенного воздействия ПХ |
Хозяйственная оценка территории. Инвентаризационные характеристики окружающей среды (пополняются при очередном проведении Базовой инвентаризации): климатические данные; ландшафты; рельеф; геологическая среда (стратиграфия, подземные воды); газогеохимическое поле; поверхностные воды; почвы и почвенный покров; растительный покров; животный мир; ландшафтно-геохимическая обстановка. Сторонние воздействия на зону техногенного влияния ПХ. |
|
Текущий ЭМ зоны техногенного воздействия ПХ |
Значения фоновых параметров среды (вне зоны техногенного влияния ПХ). Текущее состояние компонентов окружающей среды: атмосферный воздух; газогеохимическое поле (в случае нештатных ситуаций); ландшафты; рельеф; поверхностные воды; почвы и почвенный покров; растительный покров; животный мир; подземные воды, ландшафтно-геохимическая ситуация. Сторонние воздействия. ЭМ рекультивированных территорий. |
|
Принципиальный набор основных покрытий ЭкоГИС ПХкс позволяет:
- наглядно представить пространственную организацию природоохранной деятельности в зоне воздействия ПХ, результаты двух- и трехмерного моделирования текущих и прогнозных состояний и процессов в топологизированном пространстве;
- наглядно показать пространственное распределение параметров текущих состояний компонентов окружающей среды и экосистемы в целом, развернуть их во времени для выявления экологических трендов, своевременного планирования природоохранных мероприятий;
- получить топологическую основу для моделирования изменения состояний окружающей среды;
- вычленять площади проведения тех или иных видов работ, планирования их очередности, расчета их стоимости;
- обеспечить предприятие картографической основой для проектных и производственных работ;
- формировать комплекты документации отчетов, аудитов, арбитража и пр.
Набор основных покрытий ЭкоГИС ПХкс состоит из 4-х тематических групп, представленных в табл. 2.
Разнообразие ландшафтных обстановок и их техногенная трансформация обусловливают широкое разнообразие покрытий-картоидов для инвентаризационных и процессных покрытий. Необходимость и логика тематики покрытий в каждом конкретном случае очевидна и не представляет сложности для специалиста-природоведа.
 Поле распределения коэффициента фильтрации на основе данных полевых опытов по точкам регулярной сетки. |
ЭкоГИС ПХ интегрируется с системой управления природоохранной деятельностью вышестоящей организации или Корпоративной ГИС, а также с территориальным отделением Единой государственной системы экологического мониторинга РФ при помощи ведомственных сетей или Internet.
Актуальные вопросы внедрения ЭкоГИС в природоохранную практику ПХкс. Эффективное внедрение ЭкоГИС в природоохранную практику ПХ невозможно без решения двух задач.
1. Создание концепции и рабочего типового макета ЭкоГИс для ПХ. Эта работа должна проводиться в русле разработки концепции ЭкоГИС ОАО «Газпром», желательно в рамках общей ГИС-концепции Общества. Это позволит обеспечить функциональную коммуникабельность ЭкоГИС различного уровня и принадлежности на основе непротиворечивости структуры баз данных и форматов представления информации. В качестве поддержки универсальной географической основы для ЭкоГИС в системе ОАО «Газпром» рекомендуется использовать программные продукты ESRI, изначально ориентированные на работу с географическим пространством. Именно они активно используются в нефтяных и газовых компаниях мира и Российской Федерации, в том числе в «Газпроме», и легли в основу сложившегося де-факто ГИС-стандарта нефтегазовых компаний. Минимизированный комплект программного обеспечения для поддержки пространственных данных ЭкоГИС включает настольные продукты ArcGIS с дополнительными модулями Spatial Analyst и 3D Analyst.
2. Придание правового статуса ГИС-информации. ЭкоГИС не может служить инструментом эффективной и доказательной защиты объекта в экологических спорах и конфликтах без придания правового статуса содержащейся в ней пространственной и атрибутивной информации. Решение этой нормативно-правовой проблемы на федеральном и корпоративном уровнях позволят в полной мере воспользоваться управленческим потенциалом геоинформационных систем.
Таблица 2. Набор основных покрытий ЭкоГИС ПХГ в каменной соли
(пример для зоны техногенного воздействия Волгоградского ПХГ)
Тематика |
Покрытия |
А. «Инвентаризационные» покрытия (исходные и этапные состояния природно-техногенных объектов) |
|
Цифровая матрица высот поверхности |
Высота поверхности, ее ориентация, крутизна, различные виды кривизны поверхности, водосборная и дисперсивная площади для точек поверхности |
Ландшафтная обстановка |
Распределение и состояние компонентов ландшафта в зоне техногенного воздействия промышленного объекта |
Ландшафтно-геохимическая обстановка |
Схема геохимической миграции. Система геохимических барьеров. Содержание потенциальных и реальных загрязнителей в почвах и водах. |
Поверхностные воды |
Объекты, гидрохимия, скорость течения, фауна. |
Растительность |
Геоботаническая карта. Охраняемые виды. Нарушения растительного покрова. |
Почвенная карта |
Почвенный покров. Мехсостав почвообразующих пород. Эродированность. |
Земельные угодья |
Карта землеустройства; Экологически значимые приемы землепользования. |
Грунтовые и подземные воды |
Пьезометрические уровни, дебиты, гидрохимия, направление тока. Пласт-коллектор: кровля, подошва. |
Стратиграфия породной толщи |
Стратиграфическая колонка, простирание, уровни кровли и подошвы, принципиальные профиля. |
Соляной массив |
Кровля массива, подошва массива, границы в плане, 3D-представление |
Тектоника |
Система блоков и разломов. |
Газогеохимическое поле |
Исходное и срочные состояния газогеохимического поля по 3-м уровням опробования (поверхность, почва, скважина) |
Б. «Объектные» покрытия (размещение и характеристика технологических объектов ПХ) |
|
Отводы и зоны |
Граница горного отвода. Граница промплощадки ПХ. Границы полигона водозабора. Границы селитьбы. |
Производственные объекты |
Скважины. Трубопроводы. ЛЭП. Производственные здания. Дороги. |
Система ЭМ |
Граница СЗЗ. Граница зоны техногенного воздействия объекта. Сеть точек наблюдения ЭМ: основные, вспомогательные, типизация по назначению. |
В. «Процессные» покрытия (динамика и прогноз экосистемных процессов состояний) |
|
Ареалы загрязнения |
Источники загрязнения, зоны миграции и аккумуляции. Площадь, концентрация, глубина проникновения загрязнителя. Динамика ареалов загрязнения. |
Газовая геохимия |
Точки опробования. Значения. Поля концентраций по уровням съемки. Поля прироста концентраций. |
Нарушения поверхности |
Вид воздействия, характеристика снятого-насыпанного слоя. |
Эрозия почв |
Ареалы, вид эрозии, ее интенсивность. Динамика эрозионных площадей. |
Засоление почв |
Ареалы засоления, характеристики засоления. Динамика ареалов засоления. |
Осолонцевание почв |
Ареалы осолонцевания с указанием его степени, динамика ареалов. |
Ощелачивание почв |
Пространственное распределение величины рН, временная динамика. |
Геодинамические процессы |
Локализация, амплитуда, скорость, ареалы опасных тенденций. |
Пласт-коллектор |
Модельная и реальная динамика напоров и состава вод. |
Г. «Инженерно-экологические» покрытия |
|
Г.1. Экологическая защита |
|
Реабилитационные мероприятия |
Планирование и проведение рекультивационных работ: типизация рекультивируемой территории, определение площади и очередности работ, сроки, объемы работ и их стоимость. |
Инженерные сооружения |
Моделирование размещения, оценка объема работ, материалоемкости и затрат. Отчетные материалы: размещение объектов, сроки, затраты. |
Г.2. Производственная безопасность (в т.ч. мероприятия ГО и ЧС) |
|
Прогнозирование аварийных ситуаций на ПХ |
|
Производственный риск при авариях на ПХ |
|
Последствия прогнозируемых и реальных аварий на ПХ |
|
Подписи (номеров рисунков не вставлять)
(Рис. 1)