Αξιολόγηση ρύπανσης από ορυχεία μέσω του Γεωγραφικού Συστήματος Πληροφοριών (GIS): Μελέτη περίπτωσης εγκαταλελειμμένου ορυχείου στο Μαρόκο

Από RemoteSensing Wiki

Συγγραφείς: A. Khalil, L. Hanich, R. Hakkou, M. Lepage

Δημοσιεύθηκε: 18 Μαρτίου 2014

Λέξεις κλειδιά: Περιβαλλοντική βάση δεδομένων, GIS, Τηλεπισκόπηση, Remote sensing, Όξινη Απορροή Ορυχείων, Εγκαταλελειμμένο ορυχείο

Αντικείμενο εφαρμογής: Αξιολόγηση ρύπανσης εγκαταλελειμμένων ορυχείων

DOI: https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2014.03.023

1. Εισαγωγή

Το Μαρόκο, γνωστό για τον πλούτο των ορυκτών του, έχει μακρά μεταλλευτική ιστορία και διαθέτει περίπου 240 μεταλλευτικές περιοχές, εκ των οποίων οι 200 είναι εγκαταλελειμμένες. Αυτές δεν έχουν κατάλληλα σχέδια αποκατάστασης, προκαλώντας περιβαλλοντικά προβλήματα, όπως η Όξινη Απορροή από Μεταλλεία (AMD), που απελευθερώνει τοξικά μέταλλα στο έδαφος και το νερό, επηρεάζοντας τα οικοσυστήματα και τις ανθρώπινες κοινότητες. Οι παραδοσιακές περιβαλλοντικές μελέτες είναι δαπανηρές και χρονοβόρες, αλλά οι εξελίξεις στις τεχνολογίες GIS και τηλεπισκόπησης (RS) επιτρέπουν πλέον την αποτελεσματικότερη ανάλυση των πηγών και των επιπτώσεων της ρύπανσης. Το μεταλλείο Κεττάρα, κοντά στο Μαρακές, επιλέχθηκε ως μελέτη περίπτωσης για την ανάπτυξη μιας Βάσης Δεδομένων Περιβάλλοντος (EDB) βασισμένης στο GIS, που ενσωματώνει δεδομένα γεωχημείας, υδροχημείας, υδρολογίας, γεωλογίας, κάλυψης γης και κλίματος. Αυτή η βάση δεδομένων παρέχει στους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων εργαλεία για την ανάλυση και πρόβλεψη της περιβαλλοντικής ρύπανσης, με δυνατότητα εφαρμογής σε άλλες εγκαταλελειμμένες μεταλλευτικές περιοχές παγκοσμίως

2. Περιοχή Μελέτης

Το εγκαταλελειμμένο μεταλλείο Κεττάρα βρίσκεται στα Όρη Ζεμπιλέτ, κοντά στο χωριό Κεττάρα με 2000 κατοίκους, 35 χλμ. βορειοδυτικά του Μαρακές. Η περιοχή έχει θερμοκρασίες από 12°C τον Ιανουάριο έως 29°C τον Ιούλιο, με ξηρή περίοδο που διαρκεί από τον Ιούνιο έως τον Σεπτέμβριο, ετήσια βροχόπτωση 250mm και υψηλή εξάτμιση (>1500mm/έτος). Το μεταλλείο περιέχει πάνω από 4 εκ. τόνους αποβλήτων, πλούσιων σε θειούχα μέταλλα, που συμβάλλουν στη ρύπανση AMD. Η AMD έχει μολύνει τα εδάφη με βαρέα μέταλλα, τα οποία διασπείρονται μέσω ροών και απορροής κατά την υγρή περίοδο, ενώ κατά την ξηρή περίοδο παρατηρούνται δευτερογενή ορυκτά υποδεικνύοντας την AMD ενεργή.

3. Δεδομένα και Μεθοδολογία

3.1. Σχεδιασμός Βάσης Δεδομένων Περιβάλλοντος

Οι περιβαλλοντικές μελέτες απαιτούν υψηλής ποιότητας διεπιστημονικά δεδομένα. Για τον σκοπό αυτό, η Βάση Δεδομένων Περιβάλλοντος (EDB) σχεδιάστηκε για να ενσωματώνει δεδομένα γεωχημείας, υδροχημείας, υδρολογίας, γεωλογίας, κάλυψης γης και κλίματος. Η EDB μοντελοποιήθηκε με τη χρήση της Ενοποιημένης Γλώσσας Μοντελοποίησης (UML), οργανώνοντας τις οντότητες και τα χαρακτηριστικά της σε δομή σχεσιακής βάσης. Οι σχέσεις μεταξύ των οντοτήτων ορίστηκαν με πρωτεύοντα και ξένα κλειδιά, καθιστώντας το μοντέλο εφαρμόσιμο για την αξιολόγηση ρύπανσης σε οποιοδήποτε εγκαταλελειμμένο μεταλλείο.

3.2. Περιβαλλοντικά Δεδομένα που Χρησιμοποιήθηκαν στη Μελέτη

3.2.1 Γεωχημικά Δεδομένα

Τα γεωχημικά δεδομένα προέρχονται από προηγούμενη έρευνα στο μεταλλείο Κεττάρα, καθώς η παρούσα μελέτη ενσωματώθηκε στη ρύπανση, εστιάζοντας στα εξής βαρέα μέταλλα: Cu, Pb, Zn, As, Fe.

3.2.2 Υδροχημικά Δεδομένα

Τα δεδομένα περιλαμβάνουν χημικές αναλύσεις από 20 δείγματα υπόγειων υδάτων (πηγάδια) και 4 δείγματα επιφανειακών υδάτων (λακκούβες μετά από βροχόπτωση). Τα δείγματα εξετάστηκαν για ηλεκτρική αγωγιμότητα, θειικά άλατα και μέταλλα (Fe, Cd, Pb, As) με πρότυπες μεθόδους. Τα δεδομένα επιφανειακών υδάτων προέρχονται από προηγούμενη έρευνα, ενώ τα υπόγεια συλλέχθηκαν στη μελέτη.

3.2.3 Υδρολογικά Δεδομένα

Τα υδρολογικά δεδομένα περιλαμβάνουν δίκτυα ροών και υπολεκάνες, που εξήχθησαν από το Ψηφιακό Μοντέλο Ανύψωσης (DEM), χρησιμοποιώντας το εργαλείο ArcHydro. Το ASTER Global DEM, με υψηλή χωρική ανάλυση (30x30m) χρησιμοποιήθηκε για ακριβή χαρτογράφηση.

3.2.4 Δεδομένα Κάλυψης Γης

Τα δεδομένα κάλυψης γης περιλαμβάνουν τέσσερις κατηγορίες: βλάστηση, κατοικημένες περιοχές, απόβλητα μεταλλείων και γυμνά εδάφη, προερχόμενα από δορυφορική εικόνα QuickBird υψηλής ανάλυσης (2,44x2,44m). Η επεξεργασία πραγματοποιήθηκε με εποπτευόμενη ταξινόμηση στο λογισμικό ENVI, με την Minimum Distance να είναι η πιο αποτελεσματική. Ο χάρτης που δημιουργήθηκε στο τέλος μετατράπηκε από raster σε διανυσματικό αρχείο μορφής shapefile.

3.2.5 Γεωλογικά Δεδομένα

Τα γεωλογικά δεδομένα εξήχθησαν από γεωλογικό χάρτη κλίμακας 1:100000, με λιθολογικές και δομικές πληροφορίες. Ο χάρτης σαρώθηκες, γεωαναφέρθηκε και ψηφιοποιήθηκε από το λογισμικό του ArcGIS και τα γεωλογικά χαρακτηριστικά ταξινομήθηκαν σύφωνα με το υπόμνημα του αρχικού χάρτη.

3.2.6 Κλιματικά Δεδομένα

Τα κλιματικά δεδομένα της μελέτης προήλθαν από τον Μετεωρολογικό Σταθμό Saada και περιλαμβάνουν μετρήσεις θερμοκρασίας, βροχόπτωσης, σχετικής υγρασίας και εξατμισοδιαπνοής για την περίοδο 2008-2011.

3.3. Ανάπτυξη της Βάσης Δεδομένων Περιβάλλοντος

Η Βάση Δεδομένων Περιβάλλοντος (EDB) αναπτύχθηκε στο περιβάλλον ArcGIS, μέσω του πακέτου ArcCatalog, σε τρία στάδια: 1. Δημιουργία γεωβάσης που περιέχει έξι θεματικά σύνολα δεδομένων (γεωχημεία, υδροχημεία, υδρολογία, κάλυψη γης, γεωλογία, κλίμα), 2. Εισαγωγή των επεξεργασμένων δεδομένων σε αυτά τα σύνολα και 3. Δημιουργία σχέσεων μεταξύ των οντοτήτων χρησιμοποιώντας πρωτεύοντα και ξένα κλειδιά, όπως ορίστηκε στο στάδιο σχεδιασμού.

3.4. Τεχνικές Χαρτογράφησης GIS για Λήψη Αποφάσεων

Εφαρμόστηκαν γεωστατιστικές τεχνικές GIS για τη δημιουργία χαρτών χωρικής κατανομής ρύπων. Οι γεωγραφικές συντεταγμένες και οι σχετικοί παράμετροι (π.χ. θειικά άλατα, ΕC) αναλύθηκαν μέσω του εργαλείου Geostatistical Analyst στο ArcMap. Δοκιμάστηκαν οι μέθοδοι ordinary και simple kriging, με την τελευταία να επιλέγεται λόγω της ακρίβειάς της στη μοντελοποίηση χωρικής μεταβλητότητας.

4. Αποτελέσματα και Συζήτηση

4.1. Γεωχημικά Δεδομένα

Τα γεωχημικά δεδομένα αποκάλυψαν σημαντική ρύπανση εδαφών σε περιοχές κατάντη των αποβλήτων του μεταλλείου Κεττάρα. Βρέθηκαν υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων και μεταλλοειδών, με τα απόβλητα των μεταλλείων να αποτελούν την κύρια πηγή της ρύπανσης.

4.2. Υδρολογικά Δεδομένα

Τα δίκτυα ροών και η επιφανειακή απορροή διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στη διασπορά τοξικών ρύπων από τα απόβλητα. Οι εποχιακές ροές μεταφέρουν θειικά άλατα και μέταλλα, ειδικά μετά τη διάλυση δευτερογενών ορυκτών που σχηματίζονται κατά τη ξηρή περίοδο. Η υπολεκάνη Κεττάρα χαρακτηρίστηκε ιδιαίτερα ευάλωτη στη ρύπανση.

4.3. Γεωλογικά Δεδομένα

Η περιοχή κυριαρχείται από σχιστολιθικούς σχηματισμούς (Sarhlef schists), που καλύπτουν το 75% της έκτασης, ενώ παρατηρούνται σε ελάχιστα σημεία όξινα και βασικά μαγματικά πετρώματα. Οι σχιστόλιθοι έχουν υψηλή διαπερατότητα επιτρέποντας τη διείσδυση των ρυπασμένων υδάτων από τα απόβλητα στα υπόγεια ύδατα.

4.4. Δεδομένα Κάλυψης Γης

Ο χάρτης κάλυψης γης κατηγοριοποίησε την περιοχή στις τέσσερις κατηγορίες, έδειξε πως τα απόβλητα καλύπτουν 30 εκτάρια, ενώ μεγάλο μέρος του πληθυσμού και των καλλιεργειών να βρίσκονται στα κατάντη. Ως αποτέλεσμα αυτού είναι η αύξηση του κινδύνου μόλυνσης της βλάστηση και των κινδύνων για την υγεία των κατοίκων και των ζώων.

4.5. Υδροχημικά Δεδομένα

Οι βροχοπτώσεις στο μεταλλείο Κεττάρα προκαλούν Όξινη Απορροή από Μεταλλεία (AMD) από τα θειούχα απόβλητα, μολύνοντας τα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα. Τα δείγματα επιφανειακών υδάτων έδειξαν όξινο pΗ (μέσος όρος 2,7), υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (7920 μS/cm) και αυξημένα θειικά άλατα (25685 mg/L). Τα υπόγεια ύδατα παρουσίασαν βασικό ρΗ (μέσος όρος 7), υψηλή αγωγιμότητα (2088 μS/cm) και περιεκτικότητα σε θειικά άλατα (631 mg/L), με τη ρύπανση να εντοπίζεται κυρίως κατάντη του μεταλλείου. Τα θειικά άλατα προέρχονται από τη διάβρωση θειούχων ορυκτών και τη διάλυση δευτερογενών ορυκτών. Τα υπόγεια ύδατα κατάντη υπερβαίνουν τα όρια του ΠΟΥ για την αγωγιμότητα (1500 μS/cm) και τα θειικά άλατα (600 mg/L), καθιστώντας τα ακατάλληλα για πόση και δημιουργώντας κινδύνους για την υγεία, όπως καθαρτικές επιδράσεις.

4.6. Κλιματικά Δεδομένα

Η περιοχή της Κεττάρα χαρακτηρίζεται από ημιάνυδρο κλίμα, με μέσα ετήσια βροχόπτωση 250mm και εξάτμιση που υπερβαίνει τα 1500mm. Οι μέγιστες βροχοπτώσεις φτάνουν τα 40mm, επιτυγχάνοντας την AMD και την εξάπλωση των ρύπων. Κατά την ξηρή περίοδο (Ιούνιος-Σεπτέμβριος), οι υψηλές θερμοκρασίες ενισχύουν τη δημιουργία δευτερογενών ορυκτών με απορροφημένα τοξικά στοιχεία, τα οποία διαλύονται στις βροχές και διασπείρουν τους ρύπους στο περιβάλλον.

5. Συμπεράσματα

Η μελέτη χρησιμοποίησε τεχνολογίες GIS και Τηλεπισκόπησης (RS) για την ανάπτυξη μιας Βάσης Δεδομένων Περιβάλλοντος (EDB) για την αξιολόγηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων εγκαταλελειμμένων μεταλλείων, με επίκεντρο το μεταλλείο Κεττάρα. Η EDB ενσωμάτωσε δεδομένα γεωχημείας, υδροχημείας, υδρολογίας, γεωλογίας, κάλυψης γης και κλίματος. Τεχνικές γεωστατιστικής χαρτογράφησης GIS αποκάλυψαν τη χωρική κατανομή των ρύπων και απέδειξαν την αποτελεσματικότητα της διεπιστημονικής προσέγγισης στον εντοπισμό των πηγών και της έκτασης της ρύπανσης. Το φαινόμενο της Όξινης Απορροής από Μεταλλεία (AMD) διαπιστώθηκε ότι απελευθερώνει ρύπους στα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα, με τους ρύπους να διεισδύουν στο διαπερατό σχιστολιθικό υπόστρωμα και να υπερβαίνουν τα πρότυπα του ΠΟΥ για πόσιμο νερό. Τα δίκτυα ροών και η επιφανειακή απορροή αναγνωρίστηκαν ως κύριοι μηχανισμοί διάδοσης ρύπων κατά τη διάρκεια βροχοπτώσεων. Η αναπτυχθείσα EDB θα αποτελέσει τη βάση για ένα διαδικτυακό Σύστημα Υποστήριξης Αποφάσεων GIS, που θα βοηθήσει τους υπεύθυνους στη σχεδίαση προγραμμάτων αποκατάστασης για το μεταλλείο Κεττάρα.