Παρακολούθηση της επίδρασης της όξινης απορροής ορυχείου στα επιφανειακά ύδατα στην κοιλάδα Kizel coal με εικόνες Sentinel

Από RemoteSensing Wiki

Παρακολούθηση της επίδρασης της όξινης απορροής ορυχείου στα επιφανειακά ύδατα στην κοιλάδα Kizel coal με εικόνες Sentinel-2

Monitoring Acid Mine Drainage’s Effects on Surface Water in the Kizel

Συγγραφείς: Sergey V. Pyankov, Nikolay G. Maximovich, Elena A. Khayrulina, Olga A. Berezina, Andrey N. Shikhov, Rinat K. Abdullin

[1]

1. Εισαγωγή

Η ρύπανση των υδάτων από όξινες απορροές ορυχείων (AMD) είναι ένα από τα μεγαλύτερα περιβαλλοντικά προβλήματα που προκαλεί η εξορυκτική δραστηριότητα. Η τηλεπισκόπιση αποτελεί ένα σημαντικό εργαλείο για την παρακολούθηση του φαινόμενου αυτού. Τα AMD παρουσιάζουν υψηλότερη ανακλαστικότητα στο φάσμα 650-750nm από το νερό και τα ιζήματά του πυθμένα. Σχέση βρέθηκε μεταξύ των φασματικών χαρακτηριστικών και των μετρήσεων pH. Έχουν βρεθεί 2 κορυφές ανακλαστικότητας του νερού ρυπασμένο από AMD, ανάμεσσα στα 570-640nm και στα 700nm. Τα κανάλια στο red και red edge είναι κρίσιμα για την ανίχνευση αυτής της ρύπανσης στα νερά. Ιδιαίτερα χρήσιμοι για την ανίχνευση είναι οι δορυφόροι Sentinel-2 οι οποίοι έχουν τα κατάλληλα κανάλια, σε καλή χωρική ανάλυση, υψηλή συχνότητα λήψης δεδομένων.

2. Περιοχή μελέτης

Η περιοχή μελέτης είναι η κοιλάδα Kizel coal (Σχήμα 1), εκτείνεται 100km παράλληλα στα Ουράλια Όρη, με εύκρατο υγρό κλίμα. Η μέση ετήσια θερμοκρασία κυμαίνεται από του 0-2 οC. Η έντονη εξόρυξη κατά τον 20ο αιώνα προκάλεσε έντονα περιβαλλοντικά προβλήματα. Μέχρι τον 21ο αιώνα όλα τα ορυχεία είχαν κλείσει, τα οποία εν συνεχεία γεμίστηκαν με νερό που προκάλεσε την ρύπανση από AMD. Σήμερα υπάρχουν 19 πηγές AMD. Από τη ρύπανση επηρεάζονται παραπόταμοι που καταλήγουν στον ταμιευτήρα Kama.

Σχήμα 1: Η κοιλάδα Kizel, οι πυγές ρύπανσης και σημεία δειγματοληψίας επίγειων υδάτων

Σχήμα 2: Ρύπανση ποταμών από AMD

3. Δεδομένα και Μεθοδολογία

3.1 Ολοκληρωμένη εικόνα των πηγών δεδομένων

Στην μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν διάφορες πηγές δεδομένων. Εικόνες Sentinel-2 δεδομένα από την UCSEM, επιτόπια δειγματοληψία επιφανειακών ρυπασμένων υδάτων και δεδομένα για τα καθιζήματα. Προβλήματα των εικόνων Sentinel είναι η συχνή νεφοκάλυψη της περιοχής μελέτης και οι συχνές βροχοπτώσεις καθώς προκαλούν θολότητα στο νερό αυξάνοντας την ανακλαστικότητά του στο κόκκινο κανάλι . Επίσης, υπάρχει μικρός αριθμός μετρήσεων της UCSEM.

3.2 Δορυφορική εκτίμηση ρύπανσης επιφανειακών υδάτων από AMD

Λόγω της υψηλότερης ανακλαστηκότητας των ρυπασμένων υδάτων στο red και red edge από ότι στα άλλα κανάλια του ορατού, δημιουργήθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν κατάλληλοι δείκτες:

D_(S-2(AMD))=(D_560-D_664 )+(D_703-D_782)

AMWI=(Red-Blue)/(Red+Blue)

Οι δείκτες αυτοί ξεχωρίζουν όξινα νερά και σιδηρούχα καθιζήματα από καθαρά νερά και άλλα καθιζήματα.

3.3 Επεξεργασία δορυφορικών δεδομένων

Χρησιμοποιήθηκαν 34 εικόνες Sentinel-2 τους καλοκαιρινούς μήνες. Οι εικόνες υπέστησαν ατμοσφαιρική διόρθωση. Έπειτα υπολογίστηκε ο AMWI για περιοχές που περιλάμβαναν σημεία δειγματοληψίας, και για περιοχές με καθαρό νερό (Σχήμα 3). Για την εκτίμηση της συσχέτισης μεταξύ των τιμών του δείκτη και τις επίγειες μετρήσεις, υπολογίστηκε ο συντελεστής συσχέτισης Spearman ρ (Σχήμα 4)

3.4 Μετεωρολογικά και υδρολογικά δεδομένα

Επειδή οι υδρολογικές συνθήκες μεταβάλλονται, κυρίως λόγω της βροχόπτωσης, επιπλέον ελήφθησαν υπόψη οι πλημμύρες τις άνοιξης, καθώς επηρεάζουν την απορροή από τα ορυχεία και την συγκέντρωση των ρύπων (Σχήμα 5)

Σχήμα 3: Φασματική υπογραφή των ρυπασμένων ποταμών, στα σημεία δειγματοληψίας

Σχήμα 4: Ο συντελεστής συσχέτισης Spearman μεταξύ τιμών του AMWI και των σημείων δειγματοληψίας

Σχήμα 5: Τα πλημμυρικά δεδομένα

4. Αποτελέσματα

4.1 Συσχέτιση μεταξύ τιμών AMWI και της συνολικής συγκέντρωσης σιδήρου στα επιφανειακά ύδατα. Έγινε σύγκριση των τιμών του AMWI και της συγκέντρωσης του σιδήρου στο νερό για την εκτίμηση του πόσο καλά αναγνώρισε ο δείκτης την ρύπανση από AMD (Σχήμα 6, 7).

Σχήμα 6: Σύγκριση τιμών AMWI και Fetotal

Σχήμα 7: Μεταβλητότητα της συγκέντρωσης Fetotal και τιμών AMWI

4.2 Διαετήσια και εποχιακή μεταβλητότητα των AMWI και ρύπανσης του νερού.

Ο συντελεστής συσχέτισης Spearman υπολογίστηκε για την εκτίμηση της συγχρονικότητας της μεταβλητότητας του AMWI στους προς μελέτη ποταμούς (Σχήμα 4). Η μεταβλητότητα των τιμών AMWI για τα 4 δειγματοληπτικά σημεία φαίνονται παρακάτω (Σχήμα 8)

Σχήμα 8: Μεταβλητότητα των τιμών AMWI και της παροχής νερού στους μετρητές νερού στις κοιλάδες των ποταμών

4.3 Η εξέλιξη της ρύπανσης του νερού κατάντη των πηγών AMD ρύπανσης, σύμφωνα με δεδομένα Sentinel-2

Η ποσότητα της ρύπανσης μειώνεται ανάλογα με την απόσταση από την πηγή της, καθώς οι ρύποι καθιζάνουν και νερό αναμειγνύεται με καθαρό νερό από παραποτάμους. Στις εικόνες Sentinel-2 έγινε ανάλυση των επιφανειακών υδάτων για 3 περιόδους, όταν οι τιμές του ΑMWI ήταν υψηλές, μέτριες και χαμηλές. Ο δείκτης υπολογίστηκε ανά 10km και από την συμβολή των ρυπασμένων ποταμών Bol’shoi Kizel και Vil’va μέχρι τις εκβολές του ποταμού Yaiva (Σχήμα 9).

Σχήμα 9: Εικόνα Sentinel-2 των ποταμών Vil’va και Yaiva (RGB φυσικά χρώματα) και μείωση του AMWI κατάντη των ποταμών για διαφορετικές ημερομηνίες

5. Συζήτηση

5.1 Περιορισμοί δεδομένων και μεθοδολογίας

Οι εικόνες Sentinel-2 παρά τα πολλά πλεονεκτήματά του έχουν ένα σημαντικό μειονέκτημα και αυτό είναι η χωρική ανάλυση των καναλιών, που είναι σχετικά μικρή για τέτοιου είδους εφαρμογές. Ο δείκτης AMWI μπορεί να επηρεάζεται από ένυδρα οξείδια του σιδήρου τα οποία αιωρούνται και κυριαρχούν στο ολικό φορτίο του σιδήρου. Επιπλέον ο AMWI επηρεάζεται από το βάθος του ποταμού και από την ταχύτητα της ροής.

5.2 Εποχικές αλλαγές έντασης του AMD και της ποτάμιας ρύπανσης

Παρατηρήθηκε μοτίβο στην μεταβλητότητα της ρύπανσης από AMD με τις μεταβολές των εποχών, με την μικρότερη να εμφανίστηκε σε ξηρές και ζεστές περιόδους και με την μεγαλύτεροι τις υγρές περιόδους.

6. Συμπεράσματα

Αποδείχθηκε πως παρά τα μειονεκτήματα οι δορυφορικές απεικονίσεις ήταν αποτελεσματικές στην αναγνώριση της ρύπανσης από AMD στα ποτάμια. Επιπλέον, εξακριβώθηκε η υψηλή στατιστική συσχέτιση της ολικής συγκέντρωσης σιδήρου, με τα φασματικά χαρακτηριστικά της επιφάνειας του νερού. Η μέθοδος αυτή είναι εφαρμόσιμη για σχετικά μεγάλα ποτάμια με πλάτη που ξεπερνούν τα 20m. Επιπροσθέτως ανακαλύφθηκε πως η συσχέτιση μεταξύ Fetotal και AMWI έχει σημασία μόνο σε ψευδο-ουδέτερα νερά.