Методика создания серии среднемасштабных водно-экологических карт базируется на применении программных средств ArcView и ArcGIS. Серию карт и их информационное обеспечение можно подразделить на ряд блоков:
1. базовые «адресные» карты;
2. карты качества поверхностных вод;
3. карты условий самоочищения поверхностных вод;
4. карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны;
5. комплексные карты ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод.
Базовые адресные карты служат пространственно-территориальным каркасом, к которому в дальнейшем привязывается атрибутивная геопространственная информация, и на основе которого создаются тематические слои. На них отображается основная физико-географическая, социально-экономическая информация, пункты мониторинга качества поверхностных вод, мониторинга загрязнения снежного покрова; показатели водоотведения сточных вод.
Карты качества поверхностных вод содержат информацию по уровню загрязнения поверхностных вод с помощью частных и комплексных оценочных показателей. В качестве основного комплексного показателя, характеризующего качество поверхностных вод, используется индекс загрязнения воды (ИЗВ) и выделенные на его основе классы качества воды. ИЗВ является, несмотря на ряд недостатков, наиболее распространенным и часто применяемым показателем, который используется при комплексной оценке загрязнения поверхностных вод по гидрохимическим данным.
Карты условий самоочищения вод содержат характеристики потенциала трансформации и разбавления загрязняющих веществ за счет химических (окислительных) и физических (разбавление) процессов. Процесс самоочищения при картографировании рассматривается с двух позиций:
• отображается оценка природных условий самоочищения (качественные показатели);
• отображается оценка изменения концентраций загрязняющих веществ в результате процессов самоочищения (количественные показатели).
Карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны включают инвентаризационные и оценочные слои. Инвентаризационные слои отображают количественные аналитические показатели, по которым в дальнейшем строятся оценочные слои, отражающие ранжирование территории по показателям антропогенной нагрузки и потенциалу выноса загрязняющих веществ в водные объекты. Частные оценочные слои содержат косвенную информацию, используемую при составлении комплексной карты уровня загрязнения поверхностных вод.
При ранжировании речных бассейнов по отдельным показателям используется кластерный анализ. Кластеризация позволяет выделить группы бассейнов с однородными значениями показателей в многолетнем периоде наблюдений. Для полученных в результате кластерного анализа групп водных объектов производится порядковое распределение согласно принятой шкале (шкалирование) с определением их ранга и взаимного порядка на основе значений показателей. При ранжировании показателей залесенности, эродированности и густоты речной сети использованы статистические модели, отображающие зависимость выноса загрязняющих веществ в водные объекты от данных показателей. Кластеризация позволила получить сравнительные оценки в условиях отсутствия нормативных значений показателей.
Комплексная водно-экологическая карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и загрязнению поверхностных вод обобщает содержание частных оценочных карт на качественно новом уровне. В основе построения данной карты лежит группа показателей, отображающих прямую и опосредованную антропогенную нагрузку на поверхностные воды, природные условия выноса загрязняющих веществ с территорий водосборов и самоочищения поверхностных вод. На основе комплекса показателей выделены кластерные группы водных объектов и их водосборных бассейнов, которые ранжированы по уровню антропогенной нагрузки. При ранжировании учитывалась неравнозначность факторов антропогенной нагрузки по их водно-экологической опасности. Ранжированные кластерные группы приводились к пятиинтервальной шкале оценки антропогенной нагрузки. Помимо оценки уровня загрязнения, комплексные карты позволяют идентифицировать основные типы источников загрязнения, что является важным при планировании водоохранных мероприятий.
Карты качества поверхностных вод включают две категории показателей, которые отображают: уровень загрязнения поверхностных вод по ИЗВ и кратность превышения нормативов по основным показателям, характеризующим уровень загрязнения водных объектов. По составленным инвентаризационным и оценочным водно-экологическим картам выполняется анализ водно-экологической обстановки.
Анализ картографической информации позволяет выделить две категории рек: с загрязненными (более 10 т/сут.) и умеренно загрязненными (ИЗВ 1 – 2,5) водами.
Изменение качества поверхностных вод определяется не только наличием крупных источников загрязнения, к которым привязано расположение большинства постов наблюдения. Пространственные закономерности загрязнения водных объектов определяются комплексом природно-антропогенных факторов, в том числе процессами разбавления и трансформации загрязняющих веществ в водных объектах.
Геоинформационно-картографический подход открывает широкие возможности для водно-экологического пространственного анализа территории, включая:
• пространственную привязку источников загрязнения и статистических баз данных, которые количественно и качественно характеризуют эти источники;
• визуализацию и картографическое моделирование природных факторов, влияющих на загрязнение поверхностных вод и процессы их самоочищения;
• формирование баз данных пространственно привязанной информации о территориальной дифференциации основных гидрохимических, физических, микробиологических, паразитологических и гидробиологических показателей, характеризующих загрязнение поверхностных вод и интегральных показателей качества поверхностных вод;
• анализ взаимосвязей между источниками загрязнения и качеством поверхностных вод с учетом природных факторов, влияющих на поступление ЗВ в водные объекты, и процессов выноса, трансформации и разбавления ЗВ в водных системах;
• выявление закономерностей формирования качественного состояния поверхностных вод и проведение комплексной оценки уровня их загрязнения в условиях недостаточной обеспеченности данными инструментальных наблюдений за качеством воды;
• верификацию комплексных оценок качества воды, построенных по данным стационарных и экспедиционных наблюдений на основе косвенной информации о загрязнении поверхностных вод;
• обширные возможности в отображении динамики процессов загрязнения поверхностных вод.
Результаты выполненных работ позволили впервые сформулировать подходы к созданию единой картографической модели Алтайского края с позиций ландшафтно-бассейновой иерархии с учетом качества водной составляющей.
