автореферат диссертации по геодезии, 05.24.03, диссертация на тему:Экспертное картографирование в целях обоснования природоиспользования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЩЕРБАКОВ ВЛАДИМИР МОДЕСТОВИЧ

ЭКСПЕРТНОЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЕ В ЦЕЛЯХ ОБОСНОВАНИЯ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

специальность Об. 24. 03. - Картография АВТОРЕФЕРАТ

I*

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт - Петербург

1995

Работа выполнена на кафедре картографии факультета географии и геоэкологии СПбУ

Научный руководитель

доктор географических наук, профессор Л. В. Смирнов '

Официальные оппоненты

доктор географических наук, О. Ы. Тереюенкоь

кандидат геолого-минералогических наук Н. Р. Ыашьянов

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный горный институт (Технический университет) им. Г. В. Плеханова

Защита состоится ыая 1996 г. в 16 часов на за-

седании диссертационного совета (Д 063.67.16) по ващите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук в Санкт-Петербургском университете по адресу: 199178, С. -Петербург, Е О., 10-я линия, Д. 33, еуд.74

О диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета по адресу 199034, С. -Петербург, В. О., Университетская наб., д. 7/9.

Автореферат разослан О 4• 199^"г.

■ ///? '

т1."

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук

Алексеева

-..' и .

0БЯП9 ХАРАКТЕРИСТИК!! РОБОТЫ

Актуальность теин.

Картографическое представление информации о состоянии природной среди я ожидаемых ее изменениях при освоении территории является обязательными элементами технико-акснюыического обоснования и проектирования всех видов хозяйстпенной деятельности. Вкличение экологических карт в предпроектнув и проектную документации регламентировано рядом государственных стандартов и нормативных инструкций. В соответствующих руководящих положениях содержится ряд требований к представляемой экологической информации, но методических разработок, унифицирупчих создание экологических карт по процедурам анализа исходной информации и расчета синтетических показателей в настоачее время не существует. Не сформулированы, например, методологические принципы точного воспроизведения обработки данных, обеспечивавших устойчивость и соответствцвчуч точность оценочного анализа, решение прогнозных и оптимизационных задач.

Цель диссертационной работы

Основнуо цель работы 'составляет разработка методологии обобщения исходной информации о состоянии природной среди, представляемой по объектам в различных вариантах географического районирования, составления оценочных, прогнозных и рекомендательных карт, отражащих оптимальное ресурсопотребление и рлзчецение инженерных сооружений.

В состав режаемых задач входят: !. Анализ экологических карт различного назначения и определение медологич<!Ских особенностей картографирования при обосновании природопользования; %

2. Разработка и апробация способов статистического и динамического -моделирования процессов энерго- и массопсреноса с применением программно -аппаратных средств персональной вычислительной техники при обойжении комплекса картографируемых показателей, составляющих предмет экологического анализа эффективности природопользования;

3. Разработка и апробация методики расчета частных и синтетических экспертных оценок состояния природной среди с построением соответствувцих мкал и карт.

Основные положения, зачищаемые в диссертации.

Методологическую основу диссертационной работы, являющую-са предметом защиты. составляют следующие положения.

Экологическое картографирование на основе экспертного анализа предусматривает: а) оценку опасности антропогенного преобразования природных комплексов при диагностировании их несколькими экспертами по общей системе признаков; "б) определение уровня фактической антропогенной нагрузки для каждого контура на карте как средневзвевенной суммы оценки опасности антропогенеза и рейтинговых оценок источников, воздействующих на соответствующий природный объект, в) прогноз уровня антропогенной нагрузки при планируемых сценариях хозяйственного освоения территории: г) оптимизацию размещения инженерных сооружений, при котором обеспечивается минимальный уровень антропогенной нагрузки и максимальная эффективность природоохранных меропри^ ятий.

Научная новизна. Впервые разработан единый комплекс методических приемов, обеспечивающих формализацию исходной информации о сотоянии геосистеми и их анализ по унифицированной системе признаков, расчет рейтинга источников- воздействия по сценариям проявления последствий. Экспертное картографирование предполагает компьютерную технологию веления тематической базы данных и базы методов. Все процедуры расчета картографируемых показателей обеспечены проверкой согласованности экспертных оценок и сходства картографируемых объектов, относимых к одному классу..

Личный вклад автора. Методическую основу экспертного картографирования составляют разработанные автором:

- структура и состав тематической базы данных и реализованные соответствующими программами в электронных таблицах "Exccl" процедуры статистической обработки материалов:

- структура и состав системы оценочных признаков, обобщаемых в интегральных показателях и определяющих содержание экологических карт:

- алгоритмы построения полей плотности и обобщения результатов реиения отдельных модельных задач, служащие основой для построения карты результирующего районирования:

- алгоритм расчетов и программная реализации в электронных та-

блицах "Excel" определения радиационного эффекта рельефа;

- требования к составу и программному обеспечении базы методов динамического моделирования;

- методика расчета частных и обойденных экспертных оценок с привлечением отдельных специалистов, методика построения результирующих «кал.

- авторские оригиналы карт опасности воздействия на природнув среду. Фактических и ожидаемых уровней техногенного воздействия. рекомендуемого инженерного обустройства территорий.

Публикации. На тему диссертации автором опубликовано 8 статей.

Апробация работы

Результаты исследований доложены на Всесоюзной конференции "Картография и научно-технический прогресс" в г. Харькове (1988г.). на Всесовзной конференции "Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова" в г. Апатиты (1989г.).

Методика экпертного картографирования апробирована при выполнении ряда хоздоговорных работ.

По заказу института "Леноблпроект", в 1932 го^ду произведено оценочное картографирование в маситабе 1:10 ООО усадьбы Всеволожских и поймы реки Лубья (г. Всеволожск Ленинградской области). За период 1991 - 1995 гг". по заказу саратовского института "ВШШИгаздобыча" созданы карты в .масштабе 1:25 ООО на территория ряда газовых и нефте-газовых месторождений: СевероУренгойского. Заполярного. Западно-Таркосалинсого, Пеляткинс-кого, Пссцбвого.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заклвчения и списка литературы. Работа содержит 1}0 страниц машинописного текста, имеет 35 таблиц и 12 рисунков. Библиография вклвчает 142 наименования, из них 12 иностранных.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ РАБОТЫ

Анализ современной практики экологического картографирования показывает, что основные направления работ вырахаптся в создании аналитических и синтетических карт, отличаицихся сте-

в

пенью обобщения и специальным содержанием.

В зависимости от назначения на аналитических, картах от- ражавтся или инвентаризационные, или структурно-типологические, или нормативно-оценочные показатели. Инвентаризационная информация представляет собой совокупность параметров источников и объектов воздействия с иллюстрацией их взаимного размещения. Общие требования" к составу показателей можно найти' в таких инструктивно-методических руководствах, как например, "Пособие по оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС) при разработке технико-экономических (расчетов) инвестиций и проектов строительства народнохозяйственных объектов и комплексов. Госкомприрода СССР.. П.. 1991" и др. Структурно-типологическое картографирование предполагает -определенное районирование территории в соответствии с некоторой иерархической и типологической классификацией природных комплексов. На ^нормативно-оценочных картах объекты Скак правило хозяйственные угодья) оцениваются по стандартным критериям качества (иапрмер. в единицах предельно допустимых концентраций вредных веществ).

£> синтетическом картографировании достаточно выражены . бценочное, прогнозное и рекомендательное направления. Вместе с тем. выполняемый оценочный анализ фактического состояния природной среды при составлении соответствующих карт, . является, как правило, узкоспециализированным (биоиндикационным, почвен-ногеохииическим, гидрохимическим и т.д.). Обобщения комплекса таких исследований производятся исключительно на качественном уровне й при условии совпадения единиц районирования к которым приурочены данные о растительном покрове, почвах, грунтовых водах и других компонентах. При создании прогнозных экологических карт крупного и среднего масштаба динамическое модели. рование миграционных потоков практически не используется. К наибелее распространенным способам прогноза относятся экстраполяция событий по статистическому ряду наблюдений за развитием процессов на изучаемом объекте или аналоге. Значительно реке применяются "камерные" модели, в которых для отдельных участков территории собираются данные, например, о наращивании нощности производства, образовании отходов и перемещении их на территорию "соседнего контура", объемах используемых химических удобрений и ядохимикатов, развитии производственной и не-

производственной инфраструктуры, т.д. В таких случаях прогноз выражается в экстраполяции параметров обмела энергии и веществ между соседними единицами функционального районирования (зонирования). Данное моделирование иллюстрирует также, вычисляемые по эмпирическим формулам, потоковые характеристики для определенных веществ, транспортируемых поверхностными и грунтовыми водами. На рекомендательных картах представляется некоторый оптимальный сценарий планируемого природопользования, в результате которого минимизируются ожидаемые отрицательные последствия (при сопоставлении сценариев прогнозируемых последствий)- и максимизируются положительные эффекты планируемого преобразования территории.

При экологическом картографировании применяется типовые для тематических карт способы изображения. Приведение размеров простых и структурных значков, интенсивности втриховок. плотности заливок и т.д. в соответствие с величиной картографируемого показателя производится, н основном, по дискретным, непрерывно линейным, или составным вкалам. Не смотря на то, что исходные признаки, как правило, обладают нироким диапазоном значений, неравномерным распределением и различной средообра-зцвжей значимостью на отдельных интервалах, алгоритмы расчета ■кал практически не встречаются.

Суцествуючая технология изготовления авторских оригиналов сохраняется исключительно традиционной с применением типовых способов изображения. Вместе с тем, иирокое внедрение информационных систем в практику управления природопользованием с формированием экологичпеких банков данных требует разработок компьютерной технологии выполнения анализа и синтеза исходной информации.

Предлагаемая методика экспертного картографирования предусматривает последовательность работ, которую можно отразить блок-схемой.

Схема последовательности экспертного картографирования

Первичная обработка данных, расчет частных оценок состояния единиц различного тематического районирования

В процессе выполненных исследований и экспериментов при динамическом моделировании миграционных потоков, статистических анализах сходства геооистем, а так же согласованности экспертных оценок состояния природных объектов установлено, что классификационные признаки выделения и типиэации?объектов должны отражать:

1. Современные условия формирования и динамику миграционных потоков (тепло- и массопереноеа) в системе "атмосфера -растения - поверхностные воды - почвы и отложения зоны аэрации - грунтовые воды"; .

2. Сочетание форм и выраженность прямого техногенного воздействия;

3. Вторичные процессы, усиливающие средообразуювдй эффект прямого воздествия на природную среду.

Согласно перечисленный характеристикам выделяется достаточно больной перечень более частных свойств, по который необходимо классифицировать природные и хозяйственные объекты.

Главная особенность реиения, классификационных задач по предлагаемой методике состоит в то», что основная часть наблюдаемых (первичных) данных подлежит специальной обработке. Для ее выполнения разработана библиотека динамических и статистических моделей (база методов). Полнота базы методов определяет объективность результатов районирования, возможность охватить при экологическом картографировании разнообразные по природным условиям территории и использовать для их отображения более полный маситабный ряд.

. В структуру свойств геосистем и первичных данных входят следующие показатели:

1. Наблюдаемые:

1.1. Классификационные статистические: величина аккумулированных аэрозолей, в том числе радиоактивных, тепла, промышленных и хозяйственно-бытовых стоков, степень нарувения сстес-тв'енного режима или зарегулирования водного питания и стока, степень механического наруиения компонентной структуры геосистем. степень механического наруиения земной поверхности:

1.2. Входные параметры классификационных алгоритмов: измеренные концентрации загрязняющих веществ и физико-химические условия среды на пробных площадках» характеристики естественных и искусственных форм нанорельефа. современный механический состав, водно-физические и теплофизичесгае свойства отложений деятельного слоя (почв и подстилающих пород), современные условия накопления и транзита влаги;

1.3. Входные параметры модельных алгоритмов, независимые от свойств и процессов, происходящих на уровне деятельной поверхности и характеризующие области, значительно превосходящие по площади картографируемую территорию: осадки, температура, влажность воздуха и скорость ветра на верхней границе внутреннего пограничного слоя, поступление солнечной радиации на горизонтальную поверхность:

1.4. Входные параметры модельных алгоритмов, определяющие дифференциацию объектов районирования: теплоемкость и теплопроводность как функция увлажнения, объемная плотность почв.

Фильтрационные характеристики (коэффициенты фильтрации, коэффициенты водоотдачи), соотноиение площади водосбора и протяженности русла поверхностного стока, морфологические параметры характерных сечений рельефа, высота растительного покрова, выраженность древесного яруса, представительность ярусов, сомкнутость полога древесного яруса, видовой состав и обилие до-минантов и эдификаторов по вкале Друде;

2. Моделируемые;

2.1. Соотнояение метеопараметров, определявших микроклимат: суммарное испарение со снега, почвы и транспирация, радиационный баланс, температура деятельной поверхности:

2.2. Баланс влаги в деятельной слое: начальный и конечный влагозапасы в почве и в снеге за расчетный интервал времени, начальная и конечная глубина залегания грунтовых вод за расчетный интервал времени, климатический сток, расход грунтовых вод в зону аэрации:

2.3. Баланс влаги в грунтовых водах: расход грунтовых вод в зону аэрации, инфильтрация и склоновый сток, грунтовый сток, суммарное испарение со снега, почвы и транспирация.

Модельные задачи, составлявшие базу методов, разделены на А группы. Первуп группу составляют алгоритмы построения частных балльных акал и статистического анализа данных. Вторая группа представлена библиотекой динамических моделей. Третья группа моделей реализует построение полей методом скользящего кружка для синтезирования информации, отражавшей различные принципы районирования. К четвертой группе отнесены задачи экспертного анализа. Первые три группы моделей используются при подготовке и реиенйи классификационных задач, т.е. на стадиях исходного и результирующего районирования.

Для обработки массивов разнокачественной информации в работе использована вироко распространенная программа калькуляции электронных таблиц "Excel". Средствами , программирования, представляемыми данным программным "комплексом, реализованы процедуры построения различных икал, регрессионный, дисперсионный и кластерный анализ, используемые при построении картографического изображения, реиении классификационных задач и анализе результатов работы экспертов.

. 12

Этап первичной <}брабоки данных вклпчаст приведение наблв-денных показателей к относительным формам. Например, величины концентраций поллютантов в образцах выражаются в единицах ПДК, в отношениях к общей массе минерального субстрата т.д. При использовании критериев оценки для которых установлены „уровни загрязнения, означавшие определенное качество территории, например. зоны экологического бед ствия (Критерии оценки экологической обстановки территорий для выделения зон . чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия. Москва. 1992.) предусмотрен переход к балльным характеристикам. Первичная обработка данных предусматривает такт построение рядов гидрометеорологических наблюдений. Лля выполнения последующих модельных расчетов часто требуется формировать массивы параметров с переходом от месячных норм к декадным или от декадных норм к суточным, отнесенным к отдельным срокам. К распространенным характеристикам, получаемым на данном этапе относятся морфологические показатели, такие например, как отноисние периметра контура к окружности равновеликого круга, или более комплексные показатели, например, поступающая радиация на склон с заданной крутизной и экспозицией и т.д.

Эснову формализации экологической информации составляет моделирование динамических процессов. В предлагаемой методике модельное представление объектов анализа обеспечено специально разработанными программными средствами ( "РАДИАЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ РЕЛЬЕФА", "МИКРОКЛИМАТ". "ТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОФИЛЬ". "Й0Д1ШИ БАЛАНС"), а также универсальными, компьютерными программами приобретаемыми на отечественном рынке: "СЕЛЕКТОР" (расчет геохимических показателей среды), "ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕ1ИМ" (расчет гидрохимических и гидродинамических показателей речных и озер-|,ых вод).

В результате выполнения модельных расчетов определяются динамические свойства объектов экспертного анализа, (годовой ход элементов водного баланса, параметры склонового и грунтового стока за расчегнме периоды, параметры транзита и аккумуляции поллютантов, термический профиль деятельной поверхности и др.).

На следующем этапе картографирования производится перенос

результатов обработки данных на единую географическую основу. Разработанная методика синтезирования заключается в следующем. Для каждой исходной карты, составленной в результате различных видов съемок и дополненной результатами моделирования, вычисляется маг Я накладываемой регулярной сетки. По данным сеткам строятся поля плотности методом скользящего кружка с радиусом II. Затем все поля переносятся на карту с максимальной детализацией контуров, для которых расчитываются средние значения частных показателей. 3 заключение выполняется группировка единиц районирования методом дисперсионного анализа их сходства по совокупности средних значений расчетных параметров.

Оценка современного сотояния природной среды основана на сопоставлении по формализованным показателям объектов, выделенных в результате районирования территории. При этом в качестве типового определен следующий перечень диагностических частных характеристик опасности техногенного воздействия на природную среду.

.1. Зязвимость геовкосистем:

2. Хозяйственная значимость геосистем по перспективности развития или фактическому состоянию:

3. Фоновый уровень загрязнения, санитарно-эпидемиологическое состояние, наруженность структуры:

4. Средообразующие Функциональные:

5. Уникальность состава и структуры:

6. Социальная значимость.

Для комплексного анализа приведенных показателей разрабо-: тана методика попарного сопоставления геосистем и реализующий ее интегрированный пакет программ "ПРИЗНАК". При сравнении объектов предусмотрено, что расчетные данные могут быть интерпретированы субъективно и не все свойства обеспечены количественными параметрами.

нением зависимых выборок по критерию 1еффе. Т.е. при сопоставлении ■ экспертов определяется степень их согласованности, а при сопоставлении п природных объеков шкала интегрального показателя разбивается на интервалы, по которым строится карта.

Отдельным этапом является создание карты уровня техногенной нагрузки. Для этого используется тот же пакет программ

"ПРИЗНАК", с помочью которого обобщаются данные об источниках воздействия. Мотодическую основу данного зкепертно-оценочного картографирования составляет расчет рейтинга источников воздействия на природную среду. Расчет предваряет определение ожидаемых сценариев воздействия. Комплекс сценариев зависит от состава источников загрянения и свойств геосистем, наблюдаемых или моделируемых. В- общем случае сценарии группируются в следующие формы воздействия:

1. Аэрозольное загрязнение:

2. Загрязнение стоками;

3. Вумозое загрязнение:

4. Тепловое загрязнение;

5. Механическое наруиение.

После выработки сценариев по каждому их них производится сопоставление источников воздействия между собой и расчет рейтинговых характеристик.

Уровень техногенной нагрузки рассчитывается по отдельным контурам, выделенным на карте опасности техногенного воздействия на природную среду. Для этого оценивается положение контуров, относительно источников воздействия и устанавливается сценарии последствий. При компьютерной обработке объекты, источники и сценарии воздействия фиксируются в специальной таблице тематической БД. В другой таблице БД автоматически Формируется результирующая информация. При указании экспертами типа геосистемы, номеров источников воздействия и сценариев проявления последствий рассчитываются интегральные характеристики уровня техногенной нагрузки. Суммы коэффициентов, определяющих рейтинг воздействующих источников нормируются по всей совокупности природных объектов и складывается с нормированными коэффициентами опасности. Весовые коэффициенты опасности воздействия и рейтинга воздействующих источников пропорциональны их коэффициентам вариации. т.е>.# чем пыже размах параметра. тем больве его значимость. Проверка согласованности результатов экспертного анализа и расчет диапазонов шкалы уровня техногенной нагрузки производятся также, как и на предыдущих стадиях экологического картографирования.

Построение рекомендательной карты оптимального варианта

| инженерного обустройства территории основано на многократном 1 прогнозном картографировании уровня техногенной нагрузки при различных вариантах развития хозяйственной деятельности. Моделируемые загрязнение геосистем, формирование и динамика миграционных потоков, а также другие последствия планируемого техногенного воздействия интерпретируптся экспертами с учетом рекомендуемых профилактических природоохранных мероприятий. В результате составления карт выбирается вариант с наименьшими значениями уровня техногенной нагрузки.

ВЫВОДИ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Экспертное картографирование в целях отражения результатов и перспектив природопользования представляется системой методических приемов обработки данных, обобщения материалов интегральными показателями, построения результирующих мкал и карт. Возникавшая при этом задача выделения объектов, подлежащих анализу, заключается в типизации:

- областей распространения средообразувщих свойств источников воздействия:

- Фазовых переходов состояния природных объектов:

- вторичных процессов, усиливающих средообразувщий эффект источников воздействия;

- условий формирования и режима обменных процессов (тепло -массоперенос) в системе "атмосфера - растения - поверхностные воды - почвы и отложения зона аэрации - грунтовые води"

Совокупность требуемых исходных данных и содержание экологических карт оределяется модельным представлением развития природных процессов.

В целях достижения объективности и полноты оценки состояния природной среди рекомендуется использование библиотеки програминнх средств численного моделирования вещественного состава картографируемых объектов, условий формирования и параметров миграционных потоков.

Использование экспертов при картографировании обеспечивает оценку репрезентативности выполненных работ и решение классификационных задач в процессе составления синтетических карт.

Для построения системы экспертных оценок предлагается еле-

дующая последовательность работ: а) определение опасности тех-

ногенеза геосистем: б)" рейтинговая оценка источников воздействия; г) определение уровня антропогенной нагрузки.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Мирзаев Г.Г., Иванов Б.Д.. Щербаков В.М. Экология горного производства. М.. "Недра". 1991.

2. Капралов Е.Г., Яербаков В.М. Оценка техногенного изменения природной среды при инженерно-экологическом картографировании построением статистических поверхностей. Картография и научно-технический прогресс. Тез. докладов Всесоюзной конференции (кн.2). П.. Изд-во ГО СССР, 1988.

3. Мирзаев Г.Г., Иванов Б.П.. Церблков В.М. Картографический метод исследований в инженерной экологии. Л., Изд-во ЛГИ. 1988.

4. Щербаков В.М. Оценка и*картографирование радиационного эффекта рельефа. Вестник СПбй. сер.7. вып.2. К 14. 1993.

5. |ербаков В.М.. Салтыков В.Т..Максимачев О.В. Рекомендательное картографирование в целях инженерно-экологического обоснования размещения АЭС. Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Картография и научно-технический прогресс". Харьков. Изд. Геигр. общ-ва СССР. Ленинград. 1П88.

0. Щербаков В.М., Пустыльник A.A.. Максимачев О.В. Методические основы и перспективы развития инженерно-экологических изысканий на территориях размещения предприятий промышленности строительных материалов. Информационный сборник. Серия 11. Использование отходов, попутных продуктов в производстве строительных материалов и изделий. Охрана вкру<-жающей среды. М.. РТП ВНИИЭСМ. 1989.

?.Щербаков В.... Бельтенев D.E. Определение рекреационной способности водоемов методом построений потенциального поля. Тезисы докладов Всесоюзно конференции "Проблем» комлек-сного использования прроднмх ресурсов Кольского полуострова". Апатит«. 1989.

8. Капралов Е.Г.. (ербаков D.M., Каныжев А.П. Картографирова- . ние в целях экологического обоснования генпланов малых городов и проектов строительства промышленных объектов. Вестник СПб!), сер.?. вып.З. Н 14. 1994.