Исследовательский проект. «Дешифрирование антропогенных аномалий теплового излучения пруда охладителя Нововоронежской АЭС»

Рецензия
DOCX / 12.16 Кб

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение
«Средняя общеобразовательная школа №4
городского округа  город Нововоронеж»

Исследовательский проект

«ДЕШИФРИРОВАНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ АНОМАЛИЙ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРУДА ОХЛАДИТЕЛЯ НОВОВОРОНЕЖСКОЙ АЭС»

Выполнил:  ученик 11 Б класса

Саломатин Петр Юрьевич

Координатор: учитель географии

Ковалева Галина Валентиновна

Срок реализации 2017-2018;  2018-2019 учебные года

Введение

Всё более возрастающая хозяйственная деятельность человека оказывает глубокое и разностороннее воздействие на окружающую природную среду. Последствия данного воздействия неоднозначны и местами носят негативный характер. Происходит истощение естественных ресурсов, загрязнение среды, ухудшение условий жизни и деятельности человека.

Цель работы заключается в географическом дешифрировании тепловых космических снимков, картографические результаты применения которого представляют пространственно-временное распределение интенсивности теплового излучения и его связь с антропогенными геосистемами.

Одним из факторов антропогенного воздействия на окружающую среду, является тепловое излучение. Оно является предметом исследования данной работы.

Объектом исследования стал пруд охладитель Нововоронежской атомной электростанции.

Для достижения поставленной цели выполнены следующие задачи:

1. Сбор и обработка данных дистанционного зондирования Земли с необходимыми характеристиками.
2. Визуализация данных.
3. Дешифрирование данных путём их классификации.

При выполнении данных задач были использованы: дистанционное зондирование земли и геоинформационные системы.

Оборудование: компьютер, интернет, программы QGIS, ENVI.

Глава 1. Тепловое излучение и его характеристики

Тепловое излучение - электромагнитное излучение тел, имеющих температуру выше абсолютного нуля. Тепловое излучение испускает, например, атмосфера Земли. В более узком смысле - инфракрасное излучение.

Инфракрасное излучение имеет длину волны 0.78–1000 мкм. Оно делится на три диапазона:

1.Ближний инфракрасный диапазон - 0.78–3 мкм

2.Средний инфракрасный диапазон - 3–50 мкм

3.Дальний инфракрасный диапазон - 50–1000 мкм

Инфракрасная астрономия применяет инфракрасное излучение для изучения небесных объектов; военные используют его в системах наведения ракет и в приборах ночного видения, а в медицине оно применяются для получения теплового изображения.

Некоторые системы дистанционного зондирования Земли тоже получают снимки инфракрасного излучения, они применяются в разных отраслях, но основном их применяют для наблюдения за атмосферой. Сейчас разработаны новые методики дешифрирования снимков инфракрасного излучения для получения информации о тепловых аномалиях. Эта информация необходима для мониторинга за окружающей средой. В настоящее время антропогенное давление в виде теплового загрязнения возросло.

Глава 2.  Тепловое загрязнение водных объектов

Наиболее масштабное однократное употребление воды идет при производстве электроэнергии, где она используется главным образом для охлаждения и конденсации пара, вырабатываемого турбинами тепловых электростанций. При этом вода нагревается в среднем на 7°С, после чего сбрасывается непосредственно в реки и озера, являясь основным источником дополнительного тепла, который называют "тепловым загрязнением".

Тепловое загрязнение – один из видов физического загрязнения, происходящего в результате повышения температуры среды за счет использования человеком энергии, главным образом при сжигании ископаемого топлива (90%).

Повышение температуры в водоемах пагубно влияет на жизнь водных организмов. В процессе эволюции холоднокровные обитатели водной среды приспособились к определенному интервалу температур. Для каждого вида существует температурный оптимум, который на определенных стадиях жизненного цикла может несколько изменяться. В каких-то пределах эти организмы способны приспосабливаться к жизни при более высоких или более низких температурах. Если организм живет в условиях самых высоких значений присущего ему температурного интервала, он настолько к ним приспосабливается, что гибель его может наступать при температурах несколько более высоких, чем для организма, постоянно живущего в условиях более низких температур. Большая часть водных организмов быстрее приспосабливается к жизни в более теплой воде, нежели в более холодной. Однако способность к адаптации не имеет абсолютных максимальных или минимальных пределов и меняется в зависимости от вида.

В естественных условиях при медленных повышениях или понижениях температур рыбы и другие водные организмы постепенно приспосабливаются к изменениям температуры окружающей среды. Но если в результате сброса в реки и озера горячих стоков с промышленных предприятий быстро устанавливается новый температурный режим, то времени для акклиматизации не хватает, живые организмы получают тепловой шок и погибают.

Тепловой шок — это крайний результат теплового загрязнения. Результатом сброса в водоемы нагретых стоков могут быть и иные, более серьезные, последствия. Одним из них является влияние на процессы обмена веществ. Согласно закону Ван Хоффа, скорость химической реакции удваивается с увеличением температуры на каждые 10°С. Поскольку температура тела холоднокровных организмов регулируется температурой окружающей водной среды, повышение температуры воды усиливает скорость обмена веществ у рыб и водных беспозвоночных. В свою очередь, это повышает их потребность в кислороде. В результате же возрастания температуры воды содержание в ней кислорода падает. Нехватка кислорода вызывает жестокий физиологический стресс и даже смерть.

В летнее время повышение температуры воды всего на несколько градусов может вызвать 100%-ную гибель рыб и беспозвоночных, особенно тех, которые обитают у южных границ температурного интервала. Искусственное подогревание воды может существенно изменить и поведение рыб — вызвать несвоевременный нерест, нарушить миграцию. Если разрушающая сила электростанций превышает способность видов к самовосстановлению, популяция приходит в упадок.

Таким образом, повышение температуры воды способно нарушить структуру подводного растительного мира. Характерные для водоемов с холодной водой водоросли заменяются более теплолюбивыми и при возрастании температур постепенно ими вытесняются — вплоть до полного исчезновения.

Если тепловое загрязнение усугубляется поступлением в водоем органических и минеральных веществ (смыв удобрений с полей, навоза с ферм, бытовые стоки), происходит процесс эвтрофикации, т. е. резкого повышения продуктивности водоема. Азот и фосфор, служа питанием для водорослей, в том числе микроскопических, позволяют последним резко усилить свой рост. Размножившись, они начинают закрывать друг другу свет, в результате чего происходит их массовое отмирание и гниение. Процесс сопровождается ускоренным потреблением кислорода: он может оказаться полностью исчерпанным, а это грозит гибелью всей экосистемы.

Кроме того, что электростанции способны изменять среду обитания водных организмов, они могут оказывать на них и физическое влияние. Соленая вода, использующаяся для охлаждения, оказывает значительное коррозирующее влияние на металлические поверхности и вызывает высвобождение ионов металлов, особенно меди, в воду. Ракушечные животные накапливают медь в таких количествах, что становятся опасными при использовании их в пищу.

Все перечисленные выше последствия теплового загрязнения водоемов наносят огромный вред природным экосистемам и приводят к пагубному изменению среды обитания человека. Ущерб в результате теплового загрязнения можно условно разделить на несколько направлений:

• экономический (потери вследствие снижения продуктивности водоемов, затрат на ликвидацию последствий от загрязнения);

• социальный (эстетический ущерб вследствие деградации ландшафтов);

• экологический (необратимые разрушения уникальных экосистем, исчезновение видов, генетический ущерб).

Глава 3. Способы получения информации о тепловом излучении с помощью данных дистанционного

зондирования Земли

Все природные и антропогенные объекты на поверхности Земли характеризуются собственным потоком теплового излучения, что обусловливает возможность их дистанционной регистрации в тепловом инфракрасном диапазоне. Тепловые космические снимки являются особым 8 источником географической информации – на них находят отображение тепловые и излучательные свойства объектов, которые не могут быть выявлены на снимках других спектральных диапазонов. Интенсивность теплового излучения объектов земной поверхности зависит от их физических, химических характеристик, от свойств материалов, из которых изготовлены антропогенные объекты, от особенностей биохимических процессов, которыми характеризуются природные объекты. В свою очередь, эти особенности определяют место объектов в структуре геосистем, их иерархическую соподчиненность, т.е. содержат важную качественную информацию о них. Эти положения определяют принципиальную возможность дешифрирования по тепловым космическим снимкам географических объектов и их свойств, в том числе выявления особенностей природных и антропогенных геосистем. Проведённый анализ публикаций показал, что фонд материалов космической съемки в тепловом диапазоне накапливается с 1960-х гг.; наиболее развиты исследования на глобальном уровне (вся планета, континенты, океаны и крупные их части) с применением тепловых снимков, получаемых съемочными системами MODIS, AVHRR. Преимущество этих данных в высокой повторяемости съемки, большом количестве съемочных каналов, однако при этом они характеризуются невысоким пространственным разрешением, недостаточным для изучения внутренних пространственно- временных неоднородностей геосистем. С другой стороны, широкий охват и низкое пространственное разрешение дают возможность изучения взаимодействия исследуемых объектов и процессов. Исследования на региональном уровне, т.е. с применением тепловых космических снимков систем ASTER, ETM+, TM, TIRS, установленных на спутниках Terra и серии Landsat, развиты несколько меньше. Несмотря на сравнительно низкие спектральное и временное разрешения, меньший пространственный охват, такие тепловые снимки имеют важное преимущество – высокое пространственное разрешение. Оно позволяет выявлять по ним особенности пространственного распределения интенсивности теплового излучения таких геосистем, как: город, бассейн небольшой реки, горный массив. Благодаря высокому пространственному разрешению именно такие снимки имеют большие перспективы применения в географической науке, которые ещё не до конца реализованы.

В данной работе использовались снимки спутника Landsat-8, точнее одиннадцатый канал с пространственным разрешением 100 метров.

(слайд)

Глава 4. Анализ тепловой аномалий пруда

охладителя НВ АЭС

Карты тепловых аномалий строятся на основе данных дистанционного зондирования Земли. И при помощи программных пакетов ENVIи QGISэти данные обрабатываются и доводятся до конечного продукта-карты аномалий теплового излучение.

Для получения этих данных необходимо зарегистрироваться на портале геологической службы США -https://earthexplorer.usgs.gov/.  Скачать необходимый канал с этого портала-нельзя, поэтому необходимо скачивать полностью мультиспектральную сцену.

Так как мы рассматриваем тепловую аномалию для её более контрастного выделения необходимо выбирать снимки более холодного периода, потому что в теплые периоды года окружающие объекты нагреваются и тепловые аномалии сложно выделить, так как они сливаются с фоном.

(слайд)

Облачность на таких снимках вносит значительную погрешность, поэтому при выборе сцен необходимо выбирать снимки с наименьшей облачностью.

С помощью программного пакета QGISи специального плагина Sime-Automatic-Classification мы переводим яркость снимка, которая выражается в битах на пиксель, в температуру, выраженную в C^о. В итоге у нас получается растр ячейка которого показывает температуру, то есть яркость пикселя будет зависеть от температуры чем она выше, тем ярче пиксель. Это действие позволит судить о реальных температурах объекта.

Снимков берётся несколько за разное время, для того чтобы удостоверится в постоянстве нашей антропогенной тепловой аномалии. Из них собирается мульти-временной снимок.

(слайд)               

Но эти данные еще «сырые» по ним сложно сделать определённый вывод, так как это всего лишь цветовой синтез где за красную, синюю и зелёную часть пикселя отвечает снимок разного времени, для того чтобы иметь возможность судить о тепловых свойствах объекта и производить пространственный анализ, необходимо произвести классификацию мульти-временного снимка. При классификации снимка компьютер отнесет объекты с похожим тепловым режимом в один класс.

С помощью программного пакета ENVIмы проводим кластеризацию полученного изображения методом ISODATA.

(слайд)

При анализе данного изображения уже можно сделать определённые выводы. Классификация мульти-временного снимка показала, что леса и водные объекты, такие как воронежское водохранилище или река Дон, имеют одинаковый тепловой режим. Земли, входящие в землепользование, и территории городов имеют другой тепловой режим. Тепловой режим опушек леса и поймы рек так же выделяются как отдельный класс.

Как и в других экологических, геоэкологических исследованиях, объект исследования сравнивают с эталоном в данном случае за эталон будет выбрано воронежское водохранилище и река Дон. При сравнении с прудом-охладителем нововоронежской АЭС, не вооруженным взглядом можно увидеть, что его тепловой режим совершенно не соответствует тепловому режиму эталонов.

(слайд)

Это всего лишь качественный анализ аномалии, для того чтобы количественно оценить антропогенную нагрузку, в виде поступающего тепла в пруд-охладитель, необходимо создать векторное изображение полученной классификации и провести анализ уже в программе QGIS.

Количественный анализ проводится следующим образом:

1. Исследуемый объект оцифровывается
2. Считается его площадь, её принимаем за 100%
3. Оцифровывается части объекта, которые не соответствуют эталонному тепловому режиму.
4. Считается площадь этой части, и находится процентное соотношение относительно всей площади объекта.

(слайд)

Заключение

Вывод:

Данный алгоритм действий подойдет для объектов любой природы. Для данной проектной работы объектом исследования служит пруд-охладитель Нововоронежской АЭС, его тепловой режим абсолютно не соответствует тепловому режиму эталонов, так как этот пруд и задумывался с целью поглощения тепла, производимого АЭС. Поэтому антропогенная нагрузка на данный объект ровняется 100 %.

Тепловое загрязнение водоёмов является одной из проблем ведущих к угнетению водных экосистем. Его мониторинг и своевременное принятие решений по снижение этого влияния поможет сохранить водные экосистемы. Необходимость картографирования и определения тепловых положительных аномалий высока. За последние годы наблюдается исчезновение и деградация большого количества малых водоёмов в воронежской области в результате эвтрофикации. Последствия такой антропогенной эвтрофикации могут исключить возможность использования пруда в целях туризма и рыболовства

Но информация об экологическом состоянии водоёмов определяется в результате стационарных и экспедиционных исследований, что за частую не даёт четкой пространственной оценки распространения тепловой аномалии и не всегда даёт возможность чётко выявить источник теплового загрязнения.

Данные дистанционного зондирования Земли и их анализ, с помощью геоинформационных систем, помогают оценить пространственное расположение аномалии и дать ей количественную оценку. Но в настоящее время слабо развиты не только методы дешифрирования тепловых аномалий, но и в целом дешифрирование антропогенных тепловых аномалий.

Источники информации:

1. Под общей редакцией Р. И. Айзмана С. Г. Кривощекова. Основы безопасности жизнедеятельности и первой медицинской помощи Учебное пособие. 2002
2. Портал геологической службы США -https://earthexplorer.usgs.gov/.
3. Официальный портал концерна РОСЭНЕРГОАТОМ. – URL: http://rosenergoatom.ru/stations_projects/sayt-novovoronezhskoy-aes/
4. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь / И.И. Дедю. - Кишинев: Главная редакция Молдавской советской энциклопедии - 1989.

Презентация к проекту.
PPTX / 5.32 Мб​​​​​​​

Текст выступления по защите проекта
DOCX / 18.86 Кб