Geoinformation modelling for the siting of industrial solar power plants considering landslide processes in mountainous areas

Abstract

У статті висвітлено інтегрований підхід до просторової оцінки придатності територій для розміщення промислових сонячних електростанцій (СЕС) у гірських умовах із врахуванням поширення зсувних процесів, які є одними з ключових природних обмежень для інфраструктурного розвитку в Карпатському регіоні. Об’єктом дослідження Косівський район Івано-Франківської області – територія, що характеризується складною геологічною будовою, підвищеною схильністю до зсувів і зростанням інвестиційного інтересу до проєктів альтернативної енергетики. Актуальність роботи зумовлена потребою у врахуванні геодинамічних ризиків під час просторового планування енергетичних об’єктів та недостатньою інтеграцією геостатистичних методів у проєктну практику. Методологічна основа дослідження – поєднання інструментів геоінформаційного моделювання та геостатистичної інтерполяції. Векторний аналіз просторових обмежень здійснено на основі буферного моделювання навколо об’єктів інфраструктури, гідромережі, забудови та лісових масивів, що дозволило виділити зони без конфліктів. Далі застосовано морфометричні критерії – кут нахилу схилу та експозицію – з урахуванням орографічних вимог для ефективної генерації електроенергії. Усі критерії інтегровано в ModelBuilder, що забезпечило відтворюваність і автоматизацію процесу просторового аналізу. Геостатистичну оцінку ризику зсувних процесів реалізовано із побудовою семіваріограми та моделі просторової автокореляції (Moran’s I), що виявила високий ступінь кластеризації небезпечних точок. Для побудови поверхні ризику застосовано методи Ordinary Kriging та Co-Kriging з урахуванням топографічних факторів. Отримані результати дали змогу визначити просторову диференціацію ризику у межах території дослідження з високою точністю інтерполяції. Залишкова помилка валідації (RMSE ≈ 4,47) засвідчує високу якість моделі, а Co-Kriging з використанням похідних рельєфу (slope та aspect) краще адаптується до умов гірської місцевості. На завершальному етапі здійснено просторове ранжування ділянок площею понад 1,5 га з геометричним індексом форми нижче ніж 1,8, що забезпечує ефективність їхнього потенційного використання для розміщення СЕС. Результати аналізу свідчать, що лише близько 13 % придатних за площею ділянок відповідають вимогам до конфігурації та мають допустимий рівень зсувного ризику (менше ніж 46 %). На основі інтеграції карти ризиків з масивом підготовлених ділянок створено підсумкову карту оптимальних зон розміщення СЕС, яка враховує як технічні, так і природні обмеження. Наукова новизна дослідження полягає у вперше реалізованій повномасштабній геостатистичній оцінці ризику зсувів у контексті планування об’єктів сонячної енергетики в умовах Українських Карпат. Практична значущість визначається можливістю безпосереднього застосування результатів для формування планів просторового розвитку та екологічно безпечного освоєння територій. Підхід може бути адаптований для інших регіонів (Карпатського регіону) з активними геодинамічними процесами та використаний під час оцінювання впливу на довкілля для об’єктів альтернативної енергетики.The article presents an integrated approach to assessing the suitability of territories for the placement of industrial solar power plants (SPPs) in mountainous conditions, taking into account the spread of landslide processes, which are a key natural constraint for infrastructure development in the Carpathian region. The object of the study is the Kosiv district of the Ivano-Frankivsk region, an area characterised by complex geological structure, increased susceptibility to landslides, and growing investment interest in alternative energy projects. The relevance of the work is determined by the need to account for geodynamic risks in the spatial planning of energy facilities and the insufficient integration of geostatistical methods into project practice. The methodological basis of the study is a combination of geoinformation modelling and geostatistical interpolation tools. Vector analysis of spatial constraints was performed based on buffer modelling around infrastructure facilities, water networks, buildings, and forest areas, making it possible to identify conflict-free zones. Next, morphometric criteria, such as slope angle and exposure, were applied, considering orographic requirements for efficient electricity generation. All criteria were integrated into ModelBuilder, which ensured the reproducibility and automation of the spatial analysis process. A geostatistical risk assessment of landslide processes was implemented by constructing a semivariogram and a spatial autocorrelation model (Moran's I), which revealed a high degree of clustering of hazardous points. Ordinary Kriging and Co-Kriging methods were applied to construct the risk surface, taking into account topographical factors. The results obtained enabled the determination of spatial differentiation of risk within the study area with high interpolation accuracy. The residual validation error (RMSE ≈ 4.47) confirms the model's high quality, and Co-Kriging using relief derivatives (slope and aspect) showed better adaptability to mountainous conditions. At the final stage, a spatial ranking of plots was conducted for areas exceeding 1.5 ha and a geometric shape index of less than 1.8. This ensures the effectiveness of their potential use for the placement of SPPs. The analysis results show that only about 13 % of the suitable areas meet the configuration requirements and have an acceptable level of landslide risk (less than 46 %). Based on integrating the risk map with the array of prepared sites, a summary map of optimal areas for SPPs placement was created, considering technical and natural constraints. The scientific novelty of the study lies in its first-ever full-scale geostatistical assessment of landslide risk in the context of solar energy facility planning in the Ukrainian Carpathians. The practical significance is determined by the possibility of directly applying the results to form-spatial development plans and environmentally safe development of territories. The presented approach can be adapted for other regions, including the Carpathian region as a whole, which is characterised by active geodynamic processes, and can be applied in environmental impact assessments for alternative energy facilities.