автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели оценивания и прогнозирования экологической ситуации в акваэкосистемах на основе интеграции данных в автоматизированном мониторинге

ВВЕДЕНИЕ

1. Диагностирование экологической ситуации в регионе на основе автоматизированных систем экологического мониторинга

1.1 Концептуальные основы экологической доктрины Российской Федерации

1.2 Экологический мониторинг, как реализация технического диагностирования

1.3 . Экологические процессы, связанные с загрязнением природных сред

1.4 Математическое моделирование экологических процессов 34 Основные результаты

2. Информационная технология управления, оценки и прогнозирования экологической ситуации в регионе с помощью ГИС

2.1 Задача управления окружающей средой

2.2 Архитектура и основные задачи геоинформационной системы

2.3 Геоинформационная база данных

2.4 Принципы и методика построения геоинформационной моде- 61 ли территории

Основные результаты

3. Модели оценивания и прогнозирования пространственно-временных полей концентрации загрязнений

3.1 Модели переноса загрязнений в атмосфере

3.1.1. Особенности моделирования процесса переноса загрязнений в атмосфере

3.1.2. Расчет полей загрязнения в регионе при заданных метеопараметрах и источниках загрязнений

3.1.2.1. Гауссова модель рассеяния радионуклидов в воздухе

3.1.2.2. Модель градиентного переноса (К-теория)

3.1.2.3. Упрощенные методы расчета рассеяния примеси в атмосфере

3.1.3. Локализация источников загрязнения по данным измерений

3.1.4. Интерполяция данных измерений концентрации загрязняющих веществ в отдельных точках на всю территорию

3.1.5. Оптимизация расположения детекторов, измеряющих концентрации загрязняющих веществ

3.2 Модели динамики рек и переноса загрязнений в поверхностных водах

3.2.1. Особенности моделирования переноса загрязнений в поверхностных водах

3.2.2. Моделирование переноса загрязнений в речной воде при заданных источниках загрязнения

3.2.3. Моделирование переноса загрязнения в водохранилище

3.2.4. Локализация источника загрязнения и построение поля концентрации загрязняющих веществ в речной воде

3.3 Модели гидрогеологических процессов

3.3.1. Особенности моделирования переноса загрязняющих веществ в подземных водах

3.3.2. Определение полей концентрации загрязняющих веществ по заданным источникам загрязнения

3.4 Модели переноса влаги и загрязнений в почвах

3.5 Модели процессов, протекающих на стыке природных сред

3.5.1. Выведение химических веществ из атмосферы на поверхность земли

3.5.2. Формирование водного и вещественного стока с водосбора

3.5.3. Взаимодействие природных вод с породами и воздухом

3.6 Модели обработки данных дистанционного зондирования

3.6.1. Коррекция атмосферной дымки

3.6.2. Контроль состояния растительности и почвы

3.6.3. Контроль качества атмосферного воздуха 107 Основные результаты

4. Геоинформационная модель экологической ситуации в регионе с высокой концентрацией промышленных предприятий

4.1 Формирование информационной базы данных о территории региона

4.2 Геоинформационная база данных о территории региона

4.3 Информационные слои, получаемые в результате моделирования экологических процессов

4.4 Комплексная оценка экологической обстановки в городе

4.4.1. Оценка качества атмосферного воздуха

4.4.2. Загрязненность водной среды города

4.4.3. Степень загрязнения почво-грунтов 169 Основные результаты

5. Экономико-правовой информационный слой в автоматизированной системе экологического мониторинга

5.1 Нормативно-правовое обеспечение деятельности в области охраны окружающей среды, природопользования и обеспечения экологической безопасности

5.2 Функциональная модель госэкоконтроля (уровень организаций)

Сегодняшний день отличается ростом антропогенного и техногенного воздействия на природу, окружающую человека экосистему, атмосферу, поверхностные воды и т.д. Неуправляемое техногенное воздействие на природную среду приводит к существенному загрязнению среды обитания, питьевой воды и продуктов питания, неблагоприятному воздействию этих факторов на здоровье населения, фактическому возникновению зон экологического бедствия. В связи с этим проблемы снижения экологического риска, обеспечения экологической безопасности и рационального управления экологической ситуацией приобретают первостепенное значение. Необходимым условием экологической безопасности является постоянное наблюдение за качеством жизненно важных природных сред, обработка и анализ полученных данных.

Следует отметить, что стабилизация экономической ситуации может быть достигнута только в результате применения комплексных мероприятий с учетом состояния всех жизненно важных природных сред (воздуха, воды, почвы, растительного покрова). В настоящее время накоплен определенный опыт по изучению воздействия отдельных источников загрязнения, однако остается актуальной задача исследования и управления экологической ситуацией в целом на территории региона.

Одним из средств решения этой задачи является разработка автоматизированных систем экологического мониторинга (АСЭМ), обеспечивающих интеграцию разнородной информации об экологической ситуации на территории региона в рамках единой информационной технологии. Основной задачей такой системы является сбор и анализ данных об экологической обстановке, получаемых в результате функционирования в режиме реального времени информационно-измерительной сети, оценкой экологической ситуации и выработкой рекомендаций по управлению экологической безопасностью.

Согласно современным представлениям система экологического мониторинга акваэкосистем должна обеспечить построение оценок и прогнозов экологического состояния, выявлений аномалий и поддержку в определении причин их возникновения, анализ влияния техногенной и антропогенной деятельности предприятий на состояние вод; оказание поддержки при определении мероприятий, направлены на улучшение ситуации в промышленно развитом регионе. Возникает также задача исследования поведения водопотребителя в условиях административного взыскания и платы за загрязнение вод и частичной компенсации его водоохранной деятельности.

С учетом вышесказанного целью диссертационной работы является получение интегрированных оценок экологической ситуации по результатам автоматизированного диагностического мониторинга в аквасистемах для прогнозирования развития экологической ситуации на основе математического моделирования процессов переноса загрязнений и определения экономико-правовой ответственности предприятия.

В связи с этим ставятся и решаются следующие задачи исследования:

- формирование автоматизированной системы экологического мониторинга, решающая задачи диагностирования и прогнозирования экологической ситуации окружающей среды;

- определение архитектуры и формулировка основных решаемых задач геоинформационной системы (ГИС) управления экологической ситуацией;

- создание геоинформационной модели региона с соответствующей геоинформационной базой данных;

- компьютерное моделирование пространственных полей концентрации загрязняющих веществ в акваэкосистемах на основе вербальных и математических моделей путем интерполяции результатов измерений;

- построение интегрированных информационных слоев АСЭМ с технологией их заполнения и использования (применительно к условиям Санкт-Петербурга);

- обоснование и обобщение нормативно-правового обеспечения деятельности в области охраны окружающей среды и эколого-экономической деятельности предприятий.

Методы исследования. Решение поставленных задач достигается путем применения общей теории систем, теории контроля и диагностирования, теории моделирования и прогнозирования, процедур информационных технологий, теории распределенных систем и баз данных, экономико-математических моделей. Научная новизна работы состоит в:

- разработке рекомендаций по созданию геоинформационной базы данных, имеющей территориальную привязку и методике построения геоинформационной модели региона;

- обобщение комплекса моделей оценивания и прогнозирования полей загрязнений, применении методике интерполяции данных измерений и процедуре моделирования переноса загрязнений в акваэкосистем;

- разработке и реализации построения интегрированных информационных слоев, объединяющих разнородную (влияющую на экоистму) информацию;

- формулировка нормативно-правового обеспечения и эколого-экономической модели предприятия при оценивании экологической ситуации региона.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается аргументировано поставленной задачей, конкретным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений, а также результатами моделирования, проверкой предложенных методик и обобщением экспериментальных данных.

Практическая ценность работы заключается в разработанных методиках, схемах построения информационных слоев, представляющих собой интегрированную базу данных, результатах моделирования и собранных материалах о загрязнении акватерритории г. Санкт-Петербурга.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-методической конференции посвященной 190-летию транспортного образования (г. Санкт-Петербург, 1999г.)

- международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-2001» (г. Санкт-Петербург, 2001г.);

- кафедральных семинарах СПГУВК на тему «Диагностика и управление транспортными системами» (СПГУВК, 1998-2001г.);

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Основной материал изложен на . страницах текста, содержит . рисунков, . таблиц, литературы состоит из . наименований.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Процесс экологического мониторинга представлен как процесс диагностирования экологической ситуации с решением трех основных задач: количественного определения состояния окружающей среды; поиск и обнаружение причин и источников загрязнения окружающей среды; прогнозирование изменения состояния экологической ситуации. Сформированы цели и задачи автоматизированной системы экологического мониторинга (АСЭМ), объединенные единой информационной технологией, а также раскры та архитектура АСЭМ на основе идеи геоинформационной технологии. Рассмотрены задачи подсистемы математического моделирования АСЭМ, состоящие в формировании взаимосвязанных информационных слоев.

2. Проанализирована концепция экологической доктрины Российской академии наук по шести основным разделам, охватывающие организационные и правовые основы доктрины; основные факторы дестабилизации; основные принципы взаимодействия человека и природы; основные направления государственной политики обеспечения экологической безопасности. Под углом зрения концепции описаны экологические процессы, связанные с загрязнением природной среды, сгруппированы описательные модели качества воды (по результатам исследования Международного института прикладного системного анализа).

3. Сформулирована задача управления окружающей средой, как задача геофизической кибернетики, где целевой функцией управления является минимизация вероятности неблагоприятных природных условий. Предложена архитектура и определены основные задачи геоинформационной системы (ГИС), содержащей четыре основных блока: территориальный, назначение которого - пространственная организация информации; программный - аппаратно-программное обеспечение обработки данных; отраслевой - комплектование массивов данных различного тематического содержания, моделирующий - решение задач математической обработки географической информации.

4. Разработаны рекомендации по созданию геоинформационной базы данных (ГБД), имеющей территориальную привязку и представляемую в двух формах (растровой и векторной). При этом ГБД имеет два блока: картографическую БД и семантическую БД.

Создана методика построения геоинформационной модели региона, включающая:

- оцифровку элементов тематических карт (тематических слоев);

- параметризацию характеристик элементов тематических карт;

- построение клеточной матрицы параметров состояния компонентов геосистемы;

- оверлей тематических слоев в пространстве клеточной матрицы;

- построение пространственно структурной модели территории.

5. Предложен отобранный комплекс вербальных и математических моделей для оценивания и прогнозирования пространственно-временных полей концентрации загрязнений на территории региона. Использованы гауссова модель рассеяния загрязнений в воздухе и модель градиентного переноса примеси. Предложен упрощенный численный метод расчета рассеяния примеси в атмосфере.

6. Применена методика интерполяции данных измерений концентрации загрязняющих веществ в отдельных точках на всю территорию с использованием априорной информации и понятия эквивалентности источников. Рекомендованы близкие к оптимальным места расположения детекторов, измеряющих концентрации загрязняющих веществ, когда задача переноса загрязнений в речной системе представлена графом и решается одномерная задача.

7. Описана процедура моделирования переноса загрязнений в речной воде при заданных источниках загрязнения с применением модели, построенной на решении уравнения диффузии в движущемся потоке.

Выделены особенности моделирования переноса загрязняющих веществ в подземных водах, отличающиеся от процессов в атмосфере и поверхностных водах, во-первых, замедленным течением процессов, во-вторых, скоростью фильтрации подземной воды, и, в-третьих, более сильной связью между различными уровнями мониторинга.

Предложены модели обработки данных дистанционного зондирования с учетом коррекции атмосферной дымки, контроля состояния растительности и почвы, контроля качества атмосферного воздуха.

8. Предложен состав информационных слоев ГИС, технология их заполнения и использования, при этом база данных информационных слоев включает естественную структуру региона, социально-экономическую и административную структуру территории, объекты антропогенно-техногенной деятельности, структурные элементы и объекты системы экологического мониторинга, данные для математического моделирования, данные, описывающие текущую экономическую ситуацию.

Определена ГБД о территории региона с высокой концентрацией промышленных предприятий, включающая следующие растровые информационные слои (в табличном и графическом виде): функционально-территориальная структура региона, гипсометрия, информационная маска для отображения загрязнений поверхностных вод.

9. Применено расширение информационных слоев за счет данных, получаемых в результате моделирования экологических процессов (полей концентрации загрязняющих веществ в атмосфере, вдоль русла рек, в подземных водонасосных горизонтах, а также карты переноса облаков и пятен загрязнений, прогнозируемые зоны их перемещения).

10. Приведена, обобщенная оценка качества атмосферного воздуха в г. Санкт-Петербурге с анализом количественных величин предельно допустимых концентраций, получаемых на 10 стационарных постах Государственной службы наблюдения. Обобщена количественно оцениваемая загрязненность водной среды с перечислением водных объектов города и анализом видов загрязняющих веществ, а также приведены характеристики загрязненности данных отложений водотоков города.

Систематизированы данные для информационных слоев ГБД по степени загрязненности почво-грунтов органическими и неорганическими токсикантами. Приведены схемы загрязнения неорганическими токсикантами особо опасными «тяжелыми металлами», и органическими загрязнителями нефтепродуктами.

11. Обобщено нормативно-правовое обеспечение деятельности в области охраны окружающей среды, природопользования и обеспечения экологической безопасности. Раскрыто содержание государственной научно-технической программы «Безопасность», имеющая фундаментальные и прикладные направления исследования и анализа аварийных техногенных ситуаций.

Предложена функциональная модель государственного экологического контроля на уровне организаций с изложением ее элементов и четырехуровневая иерархическая система управления качеством окружающей природной среды с раскрытием документальной базы модели и ориентированная временная граф-модель функциональной модели.

12. Предложен подход к анализу эколого-экономической устойчивости региона, рассматривающий взаимодействие трех групп величин, определяющих эту устойчивость: элементы региональной экосистемы, факторы техногенной нагрузки и параметры состояния региона.

Выбрана эколого-экономическая модель предприятия в соответствии с современной нормативной базой России, входными данными для которой является стандартная информация о техническо-экономической деятельности предприятия. Особенностью модели является включение в рассмотрение регионального экологического фонда и набора водоохранных мероприятий с соответствующей стоимостью, а также с рассмотрением проблемы не платежеспособности предприятия за загрязнение окружающей среды и «экологического банкротства».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных в работе исследований решена научная задача оценки и диагностирования экологической ситуации в регионе на основе геоинформационных технологий и моделей с разработкой методик и алгоритмов образования информационных слоев различного назначения и уровня в рамках автоматизированной системы экологического мониторинга с рассмотрением экономико-правовых аспектов охраны окружающей среды.

1. Экономическая доктрина Российской Федерации (концепция) - проект. «Поиск» - еженедельная газета научного сообщества. М.: Изд-во «Поиск», 2001

2. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды.-Л.: Гидроматиздат, 1979-3 75с.

3. Протасов В.Ф., Мастанов А.В. Экология, здоровье и природопользование в России.-М.: Финансы и статистика, 1995.-521с.

4. Израэль Ю.А. Концепция мониторинга состояния биосферы. В кн. «Мониторинг состояния окружающей среды. Трубы советско-английского симпозиума».-СПб: Гидрометиздат, 1997. с. 10-25.

5. Реймерс Н.Ф. Природопользование: словарь-справочник.- М., Мысль, 1990.-63 7с.

6. Горбачук В.М. Оптимизационные модели качества воды (по материалам IIASA). Киев: Препринт АН УССР. Институт кибернетики им. В.М. Глушкова 89-60. 1989.-22 с.

7. Wood E.F. A Bayesian approach to analyzing uncertainly among stochastic models.- Laxeuburg, Austria, 1974-19p.- (Prepr./Iutern. In-t Appl. Systems Analyses; RM-75-022).

8. Szollozi-Nagy A. An adaptive identification and prediction algorithm for the real-time forecasting of hydrologic time series.- Laxeuburg, Austria, 1975.-25p.- (Prepr./Iutern. In-t Appl. Systems Analyses; RM-75-022).

9. Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере. В кн. «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», М.: Наука, 1987. стр. 298-305.

10. Винер Н. Кибернетика. М.: Сов. Радио, 1958.-215 с.

11. Винер Н. Кибернетика и общество. М.: Иностранная литература, 1958.-215 с.

12. Винер Н. Я-математик. М.: Наука, 1967.-355 с.

13. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатов С.А., Строгонов В.И., Юсупов P.M. Введение в геофизическую кибернетику и экологический мониторинг. СПб.: Изд-во СПГУВК, 1998.-165 с.

14. Yusupov R.M., Kisselev V.B. An introduction to geophysical cybernetics. International Conference on Informatics and Control Proceedings, June 9-13, 1997, St. Petersburg , Russia, Vol. II. P. 729-738.

15. Методические указания по прогнозированию загрязнения воздуха в городах с учетом метеоусловий. РД 52-04, 78-86.

16. Охрана окружающей среды. Модели управления чистотой природной среды. / Под ред. К.Г. Гофмана и А.А. Гусева,- М.: Экономика. 1977.-222 с.

17. Семенова А.Д. Руководство по химическому анализу вод суши.- Л.: Гидрометеоиздат. 1977.

18. Шемакин Ю.И. Введение в информатику,- М.: Финансы и статистика. 1985.-189 с.

19. Ярыгин Г.А., Хоанг Вьет Зао и др. Оценка и прогнозирование экологической ситуации в регионе на основе интеграции данных дистанционного зондирования и приземных наблюдений. Журнал геодезии и картографии №1.1995.

20. Пэнтл P. Методы системного анализа окружающей среды.- М.: Наука. 1979.-214 с.

21. Прикладная статистика. Исследование зависимостей / С.А. Айвазян, В.М. Бухштабер, Н.С. Енюков, Л.Д. Мешанин,- М.: Финансы и статистика. 1989. 606 с.

22. Горстко А.Б., Сурков Ф.А. Математика и проблема сохранения природы. М.: Знание. 1975.-62 с.

23. Брусиловский П.М., тильмон J1.M. Построение полиномиальных моделей сложных систем: синтез эмпирической и экспертной информации.-Уфа.: 1992.-70 с.

24. Берлянд М.Е. Современные проблемы гидрометеорологии и загрязнения атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1975.

25. Допустимые выбросы радиоактивных и вредных химических веществ в приземной слой атмосферы. / Подред. Е.Н. Теверовского и Н.А. Тер-новского. М.: Атомиздат. 1980.

26. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. М.: Гидрометеоиздат. 1976.-560 с.

27. Инструкция о порядке рассмотрения, согласования и экспертизы водоохранных мероприятий и выдачи разрешения на выброс загрязняющих веществ в атмосферу по проектным решениям ДН Д!-84. Госгидромет.- М.: Гидрометеоиздат. 1984.

28. Информационные системы общего назначения. М.: Финансы и статистика. 1975.-417 с.

29. Кинстон П. Ипользование и обработка данных. Введение в сводное сообщение «Новые идеи в географии», сб. 2.- М.: Прогресс. 1976.- с. 128-133.

30. Лайтман Д.Л. Физика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1970.

31. Малышев В.Е. Дистанционные методы определения состояния и динамики геосистем,- М.: АН СССР, Ин-т географии. 1988.- с. 244-260.

32. Марчук Г.И. Математическое моделирование в проблеме окружающей среды. М.: Наука. 1989,- 320 с.

33. Варжапетян А.Г. и др. Автоматизация контроля параметров водной среды.- Л.: Судостроение, 1988.- 232 с.

34. Варжапетян А.Г., Глущенко В.В. Системы управления. Исследование и компьютерное проектирование. Учебное пособие.- М.: Вузовская книга. 2000.- 328 с.

35. Экологическая обстановка в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в 1997 году. Справочно-аналитический обзор, 7-й выпуск.- СПб.: Ленкомэкология, ООО «КСИ». 1998.- 290 с.

36. Охрана окружающей среды, природопользование и обеспечение экологической безопасности в Санкт-Петербурге в 1998 году. Под ред. А.С. Баева, Н.Д. Сорокина.- СПб: «Сезам», 1999г.- 520 с.

37. Грацианский Е.В. Аналитический обзор работ по ГНТП «Безопасность». Журнал «Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях», вып. 12, М., 1993г., с. 3-18.

38. Бурков В.Н., Грацианский Е.В. Экономическое регулирование вопросов безопасности. Журнал «Инженерная экология», №1, М., 1994г., с. 128-137.

39. Бобров А.Л. Научно-технический потенциал России: измерение эколого-экономической эффективности.- М.: Изд-во МГУ, 1992. 132 с.

40. Цхай А.А. Мониторинг и управление качеством вод речного бассейна: модели и информационные системы / Барнаул: Алтайское книжное издательство, 1995.- 174 с.

41. Андроникова И.Н. Структурно-функциональная организация зоопланктона озерных экосистем.- СПб.: Наука, 1996.- 189 с.

42. Ахромеева Т.С., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. и др. Нестационарные структуры и диффузионный хаос.- М.: Наука. 1992г.- 544 с.

43. Базилевич Н.И., Вилкова Л.П., Тарко A.M. Модель биосферных процессов с учетом пространственного распределения экосистем суши // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л.: 1982, т. 5 с. 181-199.

44. Борябин В.И. Справочник по защите водных бассейнов от загрязнения производственными сточными водами.- М., 1990.- 124 с.

45. Гиляров A.M. Популяционная экология.- М.: Наука, 1990.- 192 с.

46. Китаев С.П. Экологические основы биопродуктивности озер разных природных зон.- М., 1994.- 207 с.

47. Колчинский Э.И. Эволюция биосферы: Историко-критические очерки исследований в ЧЧЧР.- Д.: Наука, 1990.- 236 с.

48. Иванов Б.А. Инженерная экология.- JL: ЛГУ, 1989.- 150 с.

49. Системное проектирование интегрированных производственных комплексов и гибких автоматизированных производств / А.Н. Доморацкий,

50. A.А. Лескин, В.К. Пономарев и др; Под ред. В.М. Пономарева.- Л.: Машиностроение.- 1986.-319 с.

51. Ханенко В.Н. Информационные системы.- Л.: Машиностроение. 1988.- 127 с.

52. Экологический программный комплекс для персональных ЭВМ. / ред. Гаврилов А.С.- СПб: Гидрометеоиздат, 1992.- 126 с.

53. Кучмент Л.С. Модели процессов формирования речного стока.- Л.: Гидрометеоиздат, 1980.- 142 с.

54. Логофет Д.О., Свирежев Ю.М. Экологическая стабильность и ла-гранжева устойчивость. Новый взгляд на проблему // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем.- Л., 1985. т. 7. с. 253-258.

55. Математическое моделирование. Процессы в сложных экономических и экологических системах.- М.: Наука, 1986.- 296 с.

56. Меншуткин В.В. Имитационное моделирование водных экологических систем.- СПб.: Наука, 1993.- 160 с.

57. Модели управления природными ресурсами / Под ред. Гурмана

58. B.И.-М.: Наука, 1981.-264 с.

59. Одум Ю. Основы экологии. Пер. с англ.- М.: Мир, 1975.- 562 с.

60. Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем / Ин-т прикл. Геофизики.- СПб.: Гидрометеоиздат, 1993, т. 15.- 289с.

61. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость экологических сообществ.- М.: Наука. 1978.- 241 с.

62. Симотин Е.Т. Математическое моделирование продукционных процессов водных экосистем // Математическое моделирование водных экосистем.- Иркутск? 1978.- с. 77-93.

63. Смит Дж. Модели в экологии.- М.: Мир, 1977.- 184 с.

64. Уиттекор Р. Сообщества и экосистемы.- М.: Прогресс, 1980.- 326 с.