Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2024. Т. 21. № 2. С. 271-285
Оценка состояния поверхностных вод в зоне интенсивного техногенного воздействия на основе данных дистанционного зондирования Земли
А.Д. Деменев
1 , О.А. Березина
1 , Н.Г. Максимович
1 , А.А. Мизев
1 1 Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
Одобрена к печати: 26.03.2024
DOI: 10.21046/2070-7401-2024-21-2-271-285
Техногенное воздействие на водные объекты при недропользовании практически невозможно исключить, поэтому важно своевременно отслеживать изменения гидрохимических параметров вод и прогнозировать их состояние. Для районов с интенсивной техногенной нагрузкой наиболее объективную оценку состояния водных объектов целесообразно вести как на основе традиционных методов, так и с использованием данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), обеспечивающих возможность одномоментного наблюдения за обширными территориями, в том числе за труднодоступными участками. В рамках исследований выполнена оценка состояния водных объектов, подверженных влиянию кислых шахтных вод, на основе результатов натурных наблюдений и обработки данных ДЗЗ. Рассчитывался спектральный индекс AMWI (англ. Acid Mine Water Index), характеризующий спектральные свойства кислых шахтных вод, для обнаружения и оценки уровня загрязнённости природных водных объектов кислыми шахтными водами и показатель TSM (англ. Total Suspended Matter), характеризующий количество взвешенных веществ. Полученные данные анализировались совместно с результатами полевых исследований. Выявлено, что впадение кислых шахтных вод привносит в реки вещества, распространяющиеся на значительные расстояния вниз по течению водотоков. При этом часть этих веществ осаждается в донных отложениях, аккумулируется и формирует вторичный источник загрязнения, другая часть вместе с взвешенными веществами мигрирует с потоком вод до устья рек. Установлено, что для крупных водных объектов, таких как водохранилища, показатели AMWI и TSM могут использоваться в паре для наблюдений за общим распространением взвешенных веществ, являющихся агентами переноса загрязнителей. Реализация концепции использования данных из нескольких источников позволяет сформировать наиболее объективное представление об экологическом состоянии водных объектов с принципиально новым уровнем пространственного и временного разрешения, при этом для оперативного мониторинга может быть организована сеть измерительных устройств, фиксирующих гидрохимические показатели в автоматизированном режиме.
Ключевые слова: мониторинг водных объектов, данные дистанционного зондирования Земли, Кизеловский угольный бассейн, кислые шахтные воды, загрязнение рек, взвешенные вещества, спектральные индексы, TSM, AMWI
Полный текстСписок литературы:
- Березина О. А., Шихов А. Н., Абдуллин Р. К. Применение многолетних рядов данных космической съемки для оценки экологической ситуации в угледобывающих районах (на примере ликвидированного Кизеловского угольного бассейна) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 2. С. 144–158. DOI: 10.21046/2070-7401-2018-15-2-144-158.
- Ермаков Д. М., Деменев А. Д., Мещерякова О. Ю., Березина О. А. Особенности разработки регионального водного индекса для мониторинга воздействия изливов кислых шахтных вод на речные системы // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 6. С. 222–237. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-6-222-237.
- Илюшина П. Г., Шихов А. Н., Макарьева О. М. Картографирование негативного воздействия золотодобывающих предприятий на природную среду криолитозоны по спутниковым данным (на примере Магаданской области) // Исслед. Земли из космоса. 2023. № 1. С. 41–52. DOI: 10.31857/S0205961423010050.
- Максимович Н. Г., Пьянков С. В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения: монография. Пермь: Пермский гос. национ. исслед. ун-т, 2018. 288 с.
- Максимович Н. Г., Хмурчик В. Т., Березина О. А., Деменев А. Д. Миграция микроэлементов в речной системе в зоне влияния изливов кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Горный информационно-аналит. бюлл. 2024. № 2. С. 23–34. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_2_0_23.
- Acharya B. S., Kharel G. Acid mine drainage from coal mining in the United States An overview // J. Hydrology. 2020. V. 588. P. 1–14. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2020.125061.2.
- Alexander S. S., Dein J., Gold D. R. The use of ERTs-1 MSS data for mapping strip mines and acid mine drainage in Pennsylvania // Proc. Symp. Significant Results Obtained from the Earth Resources Technology Satellite 1. Washington: NASA, 1973. Р 569–575.
- Anderson J. E., Robbins E. I. Spectral reflectance and detection of iron-oxide precipitates associated with acidic mine drainage // Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1998. V. 64. No. 12. Р. 1201–1208.
- Balintova M., Petrilakova A., Singovszka E. Study of metals distribution between water and sediment in the Smolnik Creek (Slovakia) contaminated by acid mine drainage // Chemical Engineering Trans. 2012. V. 28. P. 73–78. DOI: 10.3303/CET1228013.
- Bessho M., Markovic R., Trujic T. A. et al. Removal of Dissolved Metals from Acid Wastewater Using Organic Polymer Hydrogels // Proc. IMWA. 2017. P. 1080–1086.
- Chapin T. P. High-frequency, long-duration water sampling in acid mine drainage studies: A short review of current methods and recent advances in automated water samplers // Applied Geochemistry. 2015. V. 59. P. 118–124. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2015.04.004.
- Chen M., Li F., Tao M. et al. Distribution and ecological risks of heavy metals in river sediments and overlying water in typical mining areas of China // Marine Pollution Bull. 2019. V. 146. P. 893–899. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2019.07.029.
- Demchak J., Skosen J., McDonald L. Distribution and behavior of heavy metals in a river polluted by acid mine drainage in the Dabaoshan mine area, China // J. Environmental Quality. 2004. V. 33(2). P. 656–668.
- Furrer G., Phillips B. L., Ulrich K. U., Pöthig R., Casey W. H. The origin of aluminum flocs in polluted stream // Science. 2002. V. 297(5590). P. 2245–2247.
- Fytas K., Hadjigeorgiou J. An assessment of acid rock drainage continuous monitoring technology // Environmental Geology. 1995. V. 25(1). Р. 36–42. DOI: 10.1007/BF01061828.
- Gammons C. H., Nimick D. A., Parker S. R. Diel cycling of trace elements in streams draining mineralized areas — a review // Applied Geochemistry. 2015. No. 57. Р. 34–44. DOI: 10.1016/j.apgeochem.2014.05.008.
- Gonzalez-Toril E., Llobert-Brossa E., Casamayor E. O. et al. Microbial ecology of an extreme acidic environment, the Tinto River // Applied Environmental Microbiology. 2003. V. 69(8). Р. 4853–4865. DOI: 10.1128/AEM.69.8.4853-4865.2003.
- Gray N. F. Acid mine drainage composition and the implications for its impact on lotic systems // Water Research. 1998. V. 32(7). Р. 2122−2134.
- Hanelli D., Barth A., Volkmer G., Köhler M. Modelling of Acid Mine Drainage in Open Pit Lakes Using Sentinel-2 Time-Series: A Case Study from Lusatia, Germany // Minerals. 2023. No. 13. Р. 1–20. DOI: 10.3390/min13020271.
- Isgrо M. A., Basallote M. D., Caballero I., Barbero L. Comparison of UAS and Sentinel-2 Multispectral Imagery for Water Quality Monitoring: A Case Study for Acid Mine Drainage Affected Areas (SW Spain) // Remote Sensing. 2022. V. 14. Р. 1–15. DOI: 10.3390/rs14164053.
- Kopačková V. Using multiple spectral feature analysis for quantitative pH mapping in a mining environment // Intern. J. Applied Earth Observation and Geoinformation. 2014. V 28. P. 28–42. DOI: 10.1016/j.jag.2013.10.008.
- Madrid Y., Zayas Z. P. Water sampling: traditional methods and new approaches in water sampling strategy // Trends in Analytical Chemistry (TrAC). 2007. V. 26. P. 293–299. DOI: 10.1016/j.trac.2007.01.002.
- Munk L., Faure G., Pride D. E., Bigham J. M. Sorption of trace metals to an aluminum precipitate in a stream receiving acid rock-drainage; Snake River, Summit County, Colorado // Applied Geochemistry. 2002. V. 17. No. 4. Р. 421–430. DOI: 10.1016/S0883-2927(01)00098-1.
- Nazirova K., Alferyeva Y., Lavrova O. et al. Comparison of in situ and remote-sensing methods to determine turbidity and concentration of suspended matter in the estuary zone of the Mzymta River, Black Sea // Remote Sensing. 2021. V. 13(1). P. 1–29. DOI: 10.3390/rs13010143.
- Nieto J. M., Sarmiento A. M., Canovas C. R. et al. Acid mine drainage in the Iberian Pyrite Belt: 1. Hydrochemical characteristics and pollutant load of the Tinto and Odiel rivers // Environmental Science and Pollution Research. 2013. V. 20(11). Р. 7509–7519. DOI: 10.1007/s11356-013-1634-9.
- Nordstrom D. K., Alpers C. N., Ptacek C. J., Blowes D. W. Negative pH and Extremely Acidic Mine Waters from Iron Mountain, California // Environmental Science and Technology. 2000. V. 34. P. 254–258. DOI: 10.1021/es990646v.
- Olías M., Cánovas C. R., Macías F. The evolution of pollutant concentrations in a river severely affected by acid mine drainage: Río Tinto (SW Spain) // Minerals. 2020. V. 10(7). No. 598. DOI: 10.3390/min10070598.
- Pyankov S. V., Maximovich N. G., Khayrulina E. A. et al. Monitoring Acid Mine Drainage’s Effects on Surface Water in the Kizel Coal Basin with Sentinel-2 Satellite Images // Mine Water and the Environment. 2021. P. 1616–1068. DOI: 10.1007/s10230-021-00761-7.
- Raval S. Investigation of mine environmental monitoring with satellite based sensors: Doctoral Thesis. Sydney, 2011. 213 p.
- Seif A., Hosseinjanizadeh M., Ranjbar H., Honarmand M. Identification of acid mine drainage potential using Sentinel 2A imagery and field data // Mine Water and the Environment. 2019. V. 38(1). P. 707–717. DOI: 10.1007/s10230-019-00632-2.
- Wobber F. J., Russell O. R., Deely D. J. Multiscale aerial and orbital techniques for management of coal-mined lands // Photogrammetria. 1975. V. 31(4). P. 117–133.