Analiza zmienności przestrzennej zanieczyszczeń wód powierzchniowych z użyciem narzędzi GIS

Transkrypt

1 Analiza zmienności przestrzennej zanieczyszczeń wód powierzchniowych z użyciem narzędzi GIS Prof. Andrzej Leśniak Katedra Geoinformatyki i Informatyki Stosowanej, Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, AGH Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

2 Omówione zostaną wyniki badań prowadzonych na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska dotyczące wykorzystania systemów GIS do analizy i wizualizacji przestrzennych zmian zanieczyszczenia wód powierzchniowych metalami śladowymi. Omawiane będą dwa odmienne typy przestrzennego rozmieszczenia danych środowiskowych typ liniowy i typ powierzchniowy. Typ liniowy reprezentowany jest przez dane zawierające stężenia pierwiastków metalicznych (Cd, As, Zn, Pb, Cu, Ni, Cr, Mn, Fe i Al) w wodzie i w zawiesinie pobrane po powodzi tysiąclecia w 1997 roku na rzece Odrze i w jej dopływach (Temat ODRA ). Typ powierzchniowy to dane zawierające wyniki pomiarów zanieczyszczeń pierwiastkami metalicznymi osadów dennych jeziora Wigry (Temat WIGRY ).

3 Temat ODRA Rodzaj przemysłu As Cd Cr Cu Fe Mn Pb Ni Zn Papierniczy Petrochemia Produkcja związków nieorganicznych Produkcja nawozów i środków ochrony Rafinacja ropy naftowej Hutnictwo odlewanie stali Obróbka metali nieżelaznych Motoryzacja Ceramika i szklarstwo + Przemysł odzieżowy + Garbarnie + Metale, które powstają podczas procesów produkcyjnych w określonych gałęziach przemysłu. Mapa z zaznaczonymi punktami pomiarowymi Odry (#22) dopływów na rzekach (#16). i

4 Temat ODRA Zaznaczony na niebiesko punkt Wrocław-Bartoszowice na tle mapy sozologicznej. Zasięg powodzi w województwie dolnośląskim.

5 Temat ODRA Numeryczny model terenu z zaznaczoną Odrą ograniczony do jej dorzecza w granicach Polski. Mapa klasyfikacji terenu dorzecza Odry z podziałem na 5 klas.

6 stężenie K [µg/l] Temat ODRA K 11' odległość punktów [km] 11' 98 odległość punktów [km] Olza Bierawka Kłodnica Osobłoga Mała Panew Nysa Kłodzka Oława Ślęża Bystrzyca Widawa Kaczawa Zimnica Barycz Rudna Obrzyca Bóbr I klasa czytskości wody II klasa czytskości wody III klasa czytskości wody Liniowy (11' 98) Przykład opracowanych danych - wykresy przedstawiające zależności odległości punktów pomiarowych od źródła Odry od stężenia potasu.

7 stężenie Cd [µg/l] Temat ODRA 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Cd 5' odległość punktów [km] odległość punktów [km] 5' 98 Olza Bierawka Kłodnica Osobłoga Mała Panew Nysa Kłodzka Oława Ślęża Stregomka-Bogdaszowice Bystrzyca Widawa Kaczawa Zimnica Barycz Rudna Obrzyca Bóbr I klasa czystości wody II klasa czystości III klasa czystości Liniowy (5' 98) Przykład opracowanych danych - wykresy przedstawiające zależności odległości punktów pomiarowych od źródła Odry od stężenia kadmu.

8 Temat ODRA Mapa lokalizacji punktów mogących mieć wpływ na zanieczyszczenie rzeki Odry i jej dopływów. Analizy czystości wód po powodzi w 1997 r pokazała, że Odra i jej dorzecza należą do I i II klasy czystości, niemniej jednak zdarzają się miejsca, gdzie punktowo jest to klasa III lub wody są pozaklasowe. Podczas analiz koncentracji metali śladowych nie stwierdzono ich transportu wzdłuż biegu, ani znaczącego wpływu najważniejszych dopływów na wielkość stężeń. Źródłami zanieczyszczeń przeważnie są rolnictwo oraz przemysł.

9 Temat WIGRY Dane: Pobór próbek z osadów dennych prowadzony był na przestrzeni kilkunastu lat w sezonach letnich. Pomiary zostały dokonane w siatce nieregularnej w 465 punktach. Oznaczeń koncentracji metali śladowych dokonywano w warunkach laboratoryjnych. Obok przedstawiono miejsca poboru próbek na tle konturu jeziora Wigry.

10 Temat WIGRY Mapa batymetryczna jeziora. Jej wartości wyznaczone metodą krygingu zostały skorygowane poprzez wymuszenie wartości zerowych na brzegach akwenu i wysp.

11 Temat WIGRY Rozkłady koncentracji: Wykonano zobrazowanie przestrzennego rozkładu koncentracji dla ośmiu metali (Fe, Mn, Zn, Cd, Cr, Cu, Mg, Pb) porównując rozkład koncentracji wykonany metodą krygingu zwyczajnego, prostego i kokrygingu. Po analizie współczynników korelacji pomiędzy poszczególnymi metalami do kokrigingu dla żelaza, magnezu i miedzi jako zmienną drugorzędną wybrano cynk, a dla ołowiu kadm, jako że pary te posiadają najwyższy współczynnik korelacji.

12 Temat WIGRY Poniżej (kolejno od lewej) przedstawiono przykładowe rozkłady dla Fe i Cu wykonane z użyciem krigingu zwyczajnego oraz rozkłady błędów estymacji koncentracji dla tych dwóch pierwiastków. A B C D

13 Temat WIGRY Typ osadów i koncentracja metali: Szczegółowa klasyfikacja osadów dennych jeziora pozwoliła na otrzymanie 18 typów osadów. Mapę rozmieszczenia osadów jeziornych (A) wykonano za pomocą poligonów Thiessena, których boki są położone w równej odległości od miejsc poboru próbek. Następnie dokonano połączenia wielokątów o tym samym charakterze osadów (B). Porównanie tak zbudowanej mapy osadów na rozkład koncentracji metali pozwala zobrazować ich wzajemną korelację przestrzenną (C i D). A B C D

14 Temat WIGRY Do zobrazowania korelacji przestrzennej pomiędzy koncentracją metali a głębokością osadów wykorzystano rozkład przestrzenny współczynnika korelacji. Jego wartości bezwzględne zostały podzielone na pięć klas. Współczynnik korelacji Siła związku korelacyjnego 0,0-0,2 Brak związku liniowego pomiędzy badanymi cechami 0,2 0,4 Słaba zależność liniowa 0,4 0,7 Umiarkowana zależność liniowa 0,7 0,9 Znacząca zależność liniowa 0,9 1,0 Bardzo silna zależność liniowa Najsilniej z głębokością i dodatnio skorelowane są koncentracje Fe i Mn. W miejscach występowania kredy jeziornej, czyli w strefie przybrzeżnej korelacja ma małą wartość i wraz z przemieszczaniem w głąb jeziora, przechodzi w umiarkowaną, znaczącą, a nawet w bardzo silną korelację. Mniejszą dodatnią zależność liniową odnotowano dla Zn, a następnie kolejno dla Cr i Cu. Modele korelacji dla Cr i Cu charakteryzują się większą zależnością od głębokości w miejscach występowania gytii węglanowej. Słaba korelacja jest charakterystyczna dla obszarów przybrzeżnych. Najmniejszą zależność koncentracji od głębokości otrzymano dla kadmu i ołowiu. Współczynnik korelacji w ich przypadku mieści się w przedziale od 0 do 0,2.

15 Temat WIGRY Przeprowadzone obliczenia pokazują, że błąd wyznaczenia koncentracji poszczególnych metali jest uzależniony od ich stopnia i ich koncentracji oraz gęstości poboru próbek i może sięgać od kilkunastu do blisko 25% wartości koncentracji. Rozmieszczenie metali jest uzależnione od typu osadów i np. dla Fe największa koncentracja została stwierdzona w osadach rzeczno-jeziornych i w gytii węglanowej. Koncentracji metali wskazuje na stosunkowo niewielką zależność od głębokości osadów i tylko dla niektórych jego części i dla niektórych metali (np. dla Fe) cechuje się wysoką wartością współczynnika korelacji. Podsumowanie: Analiza danych przestrzennych oraz ich wizualizacja jaka może być wykonana we współczesnych systemach GIS (np. ArcMap) pozwala na poszerzenie spektrum wniosków i zdecydowanie wzbogaca wyniki eksperymentów i pomiarów środowiska. Dziękuję za uwagę