Využití GIS pro analýzu rizik produktovodní sítě ČEPRO, a.s.

Lukáš Gottesman
Institut geoinformatiky
VŠB-TU Ostrava 
17. listopadu 15, 70833 Ostrava-Poruba 
E–mail: lukas.gottesman@centrum.cz

Abstract

This thesis is focused on finding out vulnerability of areas affected of the pipeline accident using the GIS technologies. Individual compartments of environment like surface waters, underground waters, soils and biotic parts of environment are classified separately. In the first part there is a description of Methodology for analysis of the impacts of accidents involving hazardous substances “H&V index“, which is basis for my analyses. In the next part is an overview of data resources used in analyses and an overview of used software. The rest of the thesis describes individual analyses and their results. There is also outlined some possible using of these results.

Abstrakt

Tato diplomová práce se zabývá zjišťováním zranitelnosti území zasažených havárií produktovodu s využitím GIS technologií. Hodnocení se provádí zvlášť pro jednotlivé složky životního prostředí jako jsou povrchové vody, podzemní vody, půdní prostředí a biotické složky prostředí. V první části je popsána Metodika pro analýzu dopadů havárií s účastí nebezpečné látky na životní prostředí „H&V index“, která je podkladem pro mé analýzy. V další části je uveden přehled datových zdrojů potřebných pro provedení analýz a přehled použitého programového vybavení. Ve zbytku diplomové práce jsou popsány jednotlivé analýzy a jejich výsledky. Jsou zde také nastíněny některé možné způsoby využití těchto výsledků.

ÚVOD

Geografické informační systémy (GIS) lze definovat jako funkční celek vytvořený integrací technických a programových prostředků, dat, pracovních postupů, obsluhy, uživatelů a organizačního kontextu zaměřený na sběr, ukládání, syntézu, správu, analýzu a prezentaci prostorových dat pro potřeby popisu, analýz, modelování a simulace okolního světa s cílem získat nové informace potřebné pro racionální správu a využívání tohoto světa. GIS se dnes využívají v celé řadě oblastí lidské činnosti. Především se prosazují v oborech jako je vojenství, maloobchod, inženýrské sítě, státní správa a samospráva, životní prostředí a mnoho dalších [4]. Právě životního prostředí se týká i tato práce, neboť její výsledky, ke kterým dospěji využitím GIS technologií, budou sloužit společnosti ČEPRO a. s. ke snížení rizik spojených s produktovodní sítí.

Úkolem této práce je tedy zhodnotit využití GIS v oblasti řešení rizik spojených s produktovody a navrhnout postupy a metody pro analýzy rizik produktovodní sítě s využitím GIS technologií. Budu se zabývat hlavně haváriemi produktovodu, při kterých dochází k úniku nebezpečných chemikálií, které mohou ohrozit nejen životní prostředí, ale i zdraví a životy lidí. V GIS je možné uchovávat mnoho různých informací o produktovodu a jeho okolí a geograficky je vyhodnocovat. Proto jejich použití při likvidaci následků havárií umožní správci produktovodu provést sanaci rychleji, efektivněji a hlavně cíleně tak, aby škody byly co nejmenší. Umožní také optimalizovat preventivní opatření na produktovodní síti.

PODKLADY PRO ŘEŠENÍ

Základem pro prováděné analýzy a řešení je mimo jiné hlavně Metodika pro analýzu dopadů havárií s účastí nebezpečné látky na životní prostředí „H&V index“, jejímiž autory jsou Danihelka a Vojkovská. Pro zpracování diplomové práce jsem měl k dispozici pracovní verzi této metodiky ze dne 22. 8. 2002. V současné době je již tato metodika schválená jako oficiální metodický pokyn Ministerstva životního prostředí ČR.

Dalšími podklady mohou být různé normy upravující podmínky přepravy nebezpečných látek produktovodem jako jsou např. ČSN 65 0204 – Dálkovody hořlavých kapalin nebo ČSN 83 0916 – Doprava ropných látek potrubím. Zde je možné se seznámit např. se základními pojmy zkoumané problematiky.

Mnoho informací je možné také získat z podrobné dokumentace, kterou firma ČEPRO o produktovodní síti vede. Pro každý úsek existují např. provozní návody, bezpečnostní pokyny, plány preventivní údržby, plány oprav, havarijní dokumentace, poplachové směrnice apod.

POTRUBNÍ PŘEPRAVA A S NÍ SPOJENÁ NEBEZPEČÍ

Potrubí jsou jedním z možných způsobů přepravy látek od producentů k řadě zákazníků, včetně jiných producentů. Jsou někdy považována za jediný praktický způsob přepravy velkých objemů, které by bylo jinak velmi nepraktické přepravovat po silnici nebo železnici. Potrubí jsou také všeobecně uznávána jako nejbezpečnější a nejekonomičtější způsob přepravy nebezpečných látek v porovnání s jinými způsoby přepravy, s výjimkou supertankerů při přepravě na velmi dlouhé vzdálenosti. Také v obecné politice EU je zakotvena podpora většího využívání potrubí, včetně rozvoje Evropské potrubní sítě [5].

V porovnání s chemickými zařízeními v různých podnicích, nejsou většinou potrubí zahrnuty v okruhu kontrolovaném odpovědným operátorem. Proto když v terénu nejsou označeny nebo nejsou poskytnuta data o jejich umístění, mohou aktivity třetích osob (např. výkopové práce v okolí potrubí) způsobit nehodu. Zásahy třetích osob jsou zjištěny jako převládající příčina problémů na potrubní síti [5].

Všem haváriím není vždy věnována stejná pozornost. Dalo by se říci, že je větší pozornost věnována ojedinělým událostem, avšak s velkými následky, než velice častým událostem s menšími následky [5].

Hlavní rizika mohou potenciálně znamenat potrubí přepravující nebezpečné látky. Únik hořlavých a toxických materiálů může iniciovat havárii s katastrofickými účinky.

Četnost poruch a typ a rozsah následků havárií se mění v závislosti na přepravované látce, typu potrubní sítě atd. Analýzy minulých havárií na nebezpečných potrubích podtrhují to, jak je systematická kontrola rizik podstatná pro preventivní účely.

HAVÁRIE A JEJICH DOPADY

Havárie na produktovodech mají velký společenský význam, neboť jejich dopady na životní prostředí jsou velice závažné. Často se také přímo dotýkají a ovlivňují životy lidí, neboť v mnoha případech dochází například ke kontaminaci povrchových a podzemních vod, které mohou znečistit zdroje pitné vody v oblasti. Často také dochází ke kontaminaci půd, kdy nebezpečné látky pronikají velice hluboko a v těchto případech je nutné odtěžení značeného množství zasažené půdy. V neposlední řadě dochází při haváriích na produktovodech k zasažení biotických složek prostředí. Trasa produktovodu se totiž nevyhýbá chráněným územím a zde může havárie napáchat velké škody.

Také na území ČR dochází k haváriím na produktovodní síti několikrát za rok. Příkladem může být havárie která se stala zhruba 1,2 km severně od vesnice Kmetiněves, která leží 50 km severozápadně od Prahy. K havárii došlo v důsledku úniku enormního množství benzínu Natural z tudy vedoucího produktovodu. Tento únik byl způsoben zloději, kteří navrtali produktovod. Do prostředí uniklo asi 1 300 000 litrů benzínu. Uniklý benzín vytvořil v místě havárie jezero o rozměrech zhruba 150x50 metrů o hloubce místy až 0,3 m. V důsledku tohoto úniku došlo k masivnímu znečištění zemin a podzemní vody. Velkým nebezpečím při tomto úniku bylo to, že nad jezerem uniklého benzínu došlo k úniku methanu a nedaleko místa havárie bylo elektrické vedení vysokého napětí takže hrozilo nebezpečí výbuchu. Náklady na dekontaminaci území zde dosáhly částky 80 mil. Kč.

Dalším příkladem může být havárie, která se stala 12. 6. 2001 u obce Polepy na Kolínsku. Došlo zde k navrtání produktovodu a během několika hodin uniklo do země přibližně 66 000 litrů benzínu. Kromě kontaminace zemin, které bylo nutné odtěžit došlo také k šíření benzínových par podzemními puklinami nad hladinou podzemní vody a tím i zasažení sklepních prostor domů v obci Polepy, kde hrozilo nebezpečí výbuchu. Náklady na odstranění následků havárie dosáhly 30 – 35 mil. Kč.

K takovým haváriím dochází samozřejmě po celém světě a často v daleko větším měřítku. Únik ropy nedaleko města Usinsk v Republice Komi v Severním Rusku byl jedním z nejvážnějších environmentálních neštěstí v Rusku. Potrubí blízko polárního kruhu prosakovalo od února 1994, ale ropa zůstávala v příkopu vybudovaném k tomuto účelu. V říjnu 1994 se hráz příkopu kvůli mrazu a sněhu protrhla. Díky tomu začalo asi 102 000 tun ropy vytékat do sibiřské tundry. Ropa se dostala až do řeky Kolva, což je přítok řeky Pechora, která se vlévá do Barentsova moře, kde se ropa také začala objevovat. Byl tak ohrožen život v řekách stejně jako křehké arktické životní prostředí. Odborníci odhadují, že tento únik byl osmkrát větší než únik ropy z tankeru Exxon Valdez, což je jedna z nejznámějších a nejstudovanějších environmentálních tragédií v historii [11].

VSTUPNÍ DATA

• Digitální Základní vodohospodářská mapa ČR - 1:50 000 (zdroj: Výzkumný Ústav Vodohospodářský)

• Analogová hydrogeologická mapa (rastr) – 1:50 000 (zdroj: Česká Geologická Služba)

• Digitální mapa BPEJ – 1:5 000 (zdroj: Výzkumný Ústav Meliorací a Ochrany Půd)

• Velkoplošná zvláště chráněná území - 1:50 000 (zdroj: Agentura Ochrany Přírody a Krajiny ČR)

• Maloplošná zvláště chráněná území - 1:10 000 (zdroj: Agentura Ochrany Přírody a Krajiny ČR)

• ÚSES – (regionální/nadregionální biokoridory a biocentra) – 1:50000 – získáno z ÚTP ČR

• Databáze Corine Land cover ČR – 1:100 000

ŘEŠENÍ PŘEKRYVU MAP RŮZNÝCH MĚŘÍTEK

Při překrývání map různých měřítek si musíme být vědomi zvýšené neurčitosti v poloze geoprvků a v řešení překryvu. Neurčitost může vzniknout z takových prvků jako jsou chyby měření, vnitřní variabilita, příliš velká abstrakce nebo zanedbání důležitých parametrů modelu. Uvádí se, že maximální přesnost papírových map je 0,1 mm [1]. Běžně se ale při digitalizaci považuje za pravděpodobnou chyba 1 mm v poloze geoprvku.

Pro řešení neurčitosti v překrývání vrstev je možné využívat různé nástroje. Jednodušší variantou je vytvoření zón zvýšené neurčitosti, tedy obalových zón odpovídajících chybě v poloze hranice geoprvku a při překryvu počítat s horší variantou, což je tzv. pesimistické řešení. Například u mapy 1:50 000 odpovídá 1 mm v mapě 50 m ve skutečnosti, což vypovídá o tom, že se může vyskytnout chyba v poloze až 50 m, a proto je možné říci, že například sledovaný vodní tok leží někde v 50 m zóně. V místě překryvu této obalové zóny s územím s jiným indexem zranitelnosti pak použiji pesimistické řešení a ve výsledné vrstvě uvedu pouze vyšší hodnotu indexu zranitelnosti.

Další možností řešení je využití tzv. fuzzy množin. Jsou to množiny (nebo třídy) bez ostrých hranic, tedy přechod mezi členstvím a nečlenstvím určitého místa je postupný. Fuzzy množina je charakterizována pomocí fuzzy stupně členství (fuzzy membership grade of possibility) a jedná se o postupný nárůst od nečlenství k úplnému členství [7]. V nejjednodušší podobě by mohl být fuzzy přístup realizován v daném případě takto. Nemusela by být ohodnocena celá 50 m obalová zóna vyšším indexem, ale index by se se vzdáleností postupně snižoval až k hodnotě nižšího indexu zranitelnosti.

Pro analýzy prováděné v této diplomové práci jsem zvolil použití pesimistického řešení neboť v oblasti životního prostředí se tento přístup využívá běžně.

ZPRACOVÁNÍ ANALÝZ ZRANITELNOSTI ÚZEMÍ

Postupně jsem provedl analýzy zranitelnosti povrchových vod, podzemních vod, půdního prostředí a biotických složek prostředí, při nichž jsem vycházel z Metodiky pro analýzu dopadů havárií s účastí nebezpečné látky na životní prostředí „H&V index“.

Zranitelnost povrchových vod

Index zranitelnosti povrchových vod je stanoven na základě přítomnosti hydrologické kategorie v dosahu účinků havárie. Jednotlivým kategoriím je přiřazován index a výsledným indexem zranitelnosti povrchových vod je maximální zjištěná hodnota.

Tabulka č. 1 Přiřazení indexů jednotlivým vrstvám pro hodnocení zranitelnosti povrchových vod.

Postup vytvoření výsledné vrstvy zranitelnosti povrchových vod je zřejmý z následujícího schématu.

Obr č. 1 Schéma vytvoření vrstvy zranitelnosti povrchových vod.

Obr č. 2 Zranitelnost povrchových vod.

Zranitelnost podzemních vod

Zde byly hodnoceny následující kategorie:

1) Hodnocení horninového prostředí kolektoru a rizika znečištění (Hydrogeologická mapa)

2) Charakteristika pokryvu (Hydrogeologická mapa)

3) Vodohospodářský význam kolektoru (Hydrogeologická mapa)

4) Stupeň ochrany (D-ZVM)

• vrstvu ochranných pásem 1. stupně OPVZ - 5

• vrstvu ochranných pásem 2. stupně OPVZ – 3

• CHOPAV - 3

5) Meliorace (D-ZVM) – výsledný index + 1

Data pro první tři hodnotící kritéria byly získána vektorizací papírové Hydrogeologické mapy. Zdrojem zbylých dat byla digitální Základní vodohospodářská mapa. V případě výskytu meliorací je výsledný index v daném místě zvýšen o jednotku.

Postup vytvoření výsledné vrstvy zranitelnosti podzemních vod je opět zřejmý z následujícího schématu.

Obr č. 3 Schéma vytvoření vrstvy zranitelnosti podzemních vod.

Obr č. 4 Zranitelnost podzemních vod.

Zranitelnost půdního prostředí

Při analýze zranitelnosti půdního prostředí jsem vycházel z digitální mapy bonitovně půdně ekologických jednotek a z kódu BPEJ mně zajímal hlavně kód HPJ (hlavní půdní jednotka), což je druhé dvojčíslí. Tento kód byl hodnotícím kritériem pro stanovení indexu zranitelnosti půdního prostředí a jedná se o soubor parametrů půdotvorného substrátu, půdního typu a půdního druhu (zrnitosti a propustnosti půdy).

Kromě zemědělských území, pro která je k dispozici kód BPEJ, byly v digitální mapě BPEJ také území, u nichž kód označoval pouze druh území. Tato území bylo třeba také ohodnotit a přiřadit jim index zranitelnosti.

Hodnocení bylo provedeno následujícím způsobem:

Tabulka č. 2 Přiřazení indexů při hodnocení zranitelnosti půdního prostředí.

230 ... les (půda podle zrnitosti - lehká (3)- střední (2) – těžká (1) - 2 (střed)

290 ... ostatní plocha (převážně betonové plochy) - neurčuje se

350 ... voda - neurčuje se

340 ... lom (nedá se zjistit, jestli bude nebo nebude překrytý vrstvou půdy) - neurčuje se

270 ... navážka (může se jednat o navážku suti a podobného materiálu, který bude mít vysokou propustnost) - 4

70 ... vojenský prostor (může zde být cokoliv) - 3 (střed)

30 ... intravilán – neurčuje se

Obr č. 5 Zranitelnost půdního prostředí.

Zranitelnost biotických složek prostředí

V rámci analýzy zranitelnosti biotických složek prostředí byly hodnoceny následující kategorie:

Tabulka č. 3 Přiřazení indexů jednotlivým vrstvám pro hodnocení zranitelnosti biotických složek prostředí.

Obr č. 6 Zranitelnost biotických složek prostředí.

VYHODNOCENÍ VÝSLEDKŮ

Výhodou využití GIS je jednoduché statistické vyhodnocení analýzy. Jako příklad uvádím následující graf popisující zranitelnost biotických složek prostředí. Je zde uvedeno jak jsou jednotlivé stupně zranitelnosti v analyzovaném území procentuálně zastoupeny.

Hodnoceno bylo území podél produktovodu, které spadá do 10 km obalové zóny z důvodu dostupnosti dat. Z následujícího grafu je zřejmé, že relativně velká část území je v tomto úseku hodnocena jako velmi vysoce zranitelná (38 %). Většina tohoto nejzranitelnějšího území je soustředěna v rámci nadregionálních biokoridorů, tedy zvláště chráněných území, které jsou na výsledné mapě vidět jako zřetelné široké červené pásy. Na tomto úseku by tedy určitě měla být provedena preventivní ochranná opatření, zvláště v místech křížení s nadregionálními biokoridory.

Obr č. 7 Procentuální zastoupení jednotlivých stupňů zranitelnosti biotických složek prostředí v analyzovaném území.

Dále bude možné zjistit na kterých konkrétních místech produktovodu je nutné provést preventivní opatření z důvodů nebezpečí možného výskytu závažné havárie. Souběžně se zpracováváním této práce byla také zpracovávána práce, jejíž výsledkem je zjištění možného dotoku uniklé látky. Na produktovodu jsou simulovány v padesátimetrových intervalech fiktivní havárie a z těchto míst jsou stanoveny trajektorie šíření uniklého média. Kolem těchto trajektorií je vytvořena 25 m obalová zóna a právě takto vzniklý polygon, který má vztah k danému místu na produktovodu mohu podrobit stejné statistické analýze jako celé analyzované území. Takto mohu získat právě ta místa, kde by havárie způsobila největší škody.

Takto je možné vyhodnotit každou analyzovanou složku životního prostředí a zjistit tak, která se na výsledné zranitelnosti podílí více a která méně. V případě, že havárie nastane, pak může správce produktovodu jednoduše zjistit, které složce se věnovat nejdříve.

Analýzy zranitelnosti prováděné v této diplomové práci jsou obecné a je možné je použít v podstatě pro analýzu vlivu jakékoliv liniové stavby na životní prostředí.

ZÁVĚR

V této práci jsem se zabýval analýzami zranitelnosti území zasaženého havárií produktovodu, přičemž jsem zvlášť hodnotil jednotlivé složky životního prostředí. Postupně jsem provedl analýzy zranitelnosti povrchových vod, podzemních vod, půdního prostředí a biotických složek prostředí.

Jelikož jsem prováděl analýzy v prostředí GIS, snažil jsem se, na rozdíl od Metodiky pro analýzu dopadů havárií s účastí nebezpečné látky na životní prostředí „H&V index“, ze které jsem vycházel, využívat dostupná digitální mapová díla. Většinu analogových podkladů uvedených v metodice se mi podařilo adekvátně nahradit podklady v digitální podobě, avšak ne všechny. Například hydrogeologickou mapu se mi podařilo získat pouze v papírové formě a z časových důvodů se mi ji nepodařilo vektorizovat celou. Avšak i přesto, že nebyly všechny analýzy provedeny pro celé území vymezené desetikilometrovou vzdáleností od produktovodu, podařilo se mi výsledky, vyplývající z metodiky stanovené v této práci, dostatečně ověřit.

Pro analýzy jsem použil data z různých zdrojů a různých měřítek. Právě různost měřítek byla jedním z problémů, na které jsem narazil. Chyby v poloze, které se mohou vyskytnout u větších měřítek např. 1:100 000 jsem řešil vytvořením obalové zóny kolem geoprvku. Tento nedostatek, však bude možné v budoucnu řešit, neboť digitální mapová díla se stále aktualizují a zpřesňují a v mé metodice je možné stávající data jednoduše nahradit novými. Například mnou použitou digitální Základní vodohospodářskou mapu v měřítku 1:50 000 bude možné v nejbližší době nahradit novou digitální mapou ZABAVOD v měřítku 1:10 000.

Výsledkem práce jsou vrstvy zranitelnosti jednotlivých složek prostředí na územích v okolí produktovodu, v nichž je zranitelnost barevně znázorněna pomocí pětibodové stupnice.

Takto analyzované území umožní správci produktovodu jednoduše identifikovat ta území, na kterých by potenciální havárie způsobila největší škody a v těchto místech provést na produktovodu opatření, která povedou k větší bezpečnosti. Dále je možné v případě, že k havárii dojde, na základě vrstev zranitelnosti území zjistit, kde je nutné provést sanace nejdříve, z hlediska dalších dopadů na životní prostředí.

LITERATURA

1. Horák, J.: Zpracování dat v Geografických informačních systémech, Skripta VŠB-TU Ostrava, 1999, 54 s.
2. Kamenický, J.: Rizikovosti vlivu havárie produktovodu na životní prostředí v úseku Kryry – Hájek. DN 300, referát z konference GIS Ostrava 1999
3. Papadakis, G.A.: Review of Transmission Pipeline Accidents involving Hazardous Substances. JRC Itálie, 1999. 30 s, Report EUR 18122 EN
4. Rapant, P.: Úvod do geografických informačních systémů. Geoinfo, ročník II, č. 1/99, Ostrava
5. Vojkovská, Danihelka: Metodika pro analýzu dopadů havárií s účastí nebezpečné látky na životní prostředí „H&V index“. MŽP, 2002, 41 s.
6. ČSN 65 0204 Dálkovody hořlavých kapalin. Praha: Vydavatelství Úřadu pro normalizaci a měření, 1980. 47 s.
7. IDRISI32 Manual, 1999, 343 s.
8. Výroční zpráva 2001 ČEPRO, a. s., 2002, 63 s.
9. http://heis.vuv.cz/data/spusteni/popisy/x_zvm_zvm.asp?view=: Informace o digitální Základní vodohospodářské mapě 1:50000
10. http://www.env.cz/www/zamest.nsf/0/8a7fb0bcc6f1ab39c125651d005c4e90?OpenDocument: Informace o Databázi CORINE Land Cover ČR
11. http://www.american.edu/projects/mandala/TED/KOMI.HTM: Informace o úniku ropy v Republice Komi v Rusku.

Copyright (C) VŠB - TU Ostrava, Institut geoinformatiky, 2001-3. Všechna práva vyhrazena. 
V případě, dotazů, komentářů, připomínek kontaktujte www-gis.hgf@vsb.cz
Tato stránka byla naposledy aktualizována: 29.03.2006 16:16
Stránky jsou optimalizovány pro Microsoft Internet Explorer v. 5.0 a vyšší.
Jsou vytvářeny v programovém prostředí FrontPage 2003.