Диагностирование и прогноз экологического состояния природно-технической гидрогеологической системы

1. Формирование исходной модели

1.1 Стратиграфия и литология изучаемой территории

1.2 Гидрогеологические условия

1.3 Техногенные условия

2. Формирование информационной модели

3. Тестирование модели Заключение Список литературы

Целью данной работы является проведение диагностирования и составления прогноза состояния природно-технической гидрогеологической системы подольско-мячковского горизонта по содержанию хлора в его водах.

Основными задачами являются: анализ территории по набору гидрогеологических, геологических и техногенных условий состояния изучаемой территории; выяснение влияния имеющихся условий на загрязнение подольско-мячковского горизонта хлором; формирование информационно-диагностической модели; тестирование сформированной модели для прогноза состояния подольско-мячковского горизонта.

1. Формирование исходной модели

1.1 Стратиграфия и литология изучаемой территории

Исследуемая территория расположена в восточной части Московской области. Стратиграфия и литология изучается на основе гидрогеологического разреза. В геологическом строении данного района представлены следующие стратиграфические единицы: отложения среднего и верхнего карбона, средней юры, нижнего мела и четвертичные отложения.

Средний отдел карбона представлен глинистыми известняками подольско-мячковского горизонта и глинами. Мощность известняков по разрезу изменяется от 34 до 39 м., а глин >2 м. Верхний отдел карбона представлен известняками касимовского водоносного горизонта и пестроцветными глинами. Мощность касимовского горизонта около 50 м. Мощность глинистых отложений составляет 8−12 м.

Средний отдел юры на изучаемой территории представлен келловейским ярусом, который сложен черными глинами мощностью на западе 15 м., на востоке 9 м.

Нижний мел на данной территории представлен аптским ярусом, сложенным песками мощностью 11 м. Пески обводнены.

Отложения четвертичной системы имеют широкое распространение и представлены пролювиальными, флювиогляциальными и ледниковыми осадками. Среднечетвертичные ледниковые отложения представлены: моренными суглинками мощностью на западе 21 м., на востоке 11 м., флювиогляциальными песками и супесью. Пролювиальные отложения представлены суглинками мощностью от 2 до 5 м.

1.2 Гидрогеологические условия

На изучаемой территории развито два водоносных комплекса: касимовский и подольско-мячковский.

Водовмещающими породами касимовского горизонта являются известняки с прослоями глинистых известняков мощностью 48−49 м. Водоносный горизонт напорный, верхним водоупором служат юрские черные глины, а нижним пестроцветные глины. Пьезометрический уровень расположен на глубине в западной части разреза 42 м, в восточной — 31 м.

Водовмещающими породами подольско-мячковского горизонта также являются известняки мощностью 34−39 м. Водоупор представлен глинами. Пьезометрический уровень этого горизонта расположен на глубине 45 м, то есть ниже уровня касимовского горизонта.

Пьезометрический уровень подольско-мячковского горизонта расположен ниже уровня касимовского горизонта. Таким образом, возможен переток воды через водоупор из касимовского горизонта в подольско-мячковский, а следовательно, подольско-мячковский водоносный горизонт может быть подвержен загрязнению. Используя данные по скважинам был построен геолого-гидрогеологический разрез по линии 1−13.

В качестве исследуемых показателей были приняты следующие: защищенность подольско-мячковского горизонта; суммарная защищенность подольско-мячковского горизонта; положение пьезометрического уровня касимовского водоносного горизонта; положение пьезометрического уровня подольско-мячковского водоносного горизонта; вертикальный градиент, определяющий направление и интенсивность перетекания между касимовским и подольско-мячковским водоносными горизонтами; водопроводимость подольско-мячковского водоносного горизонта; функциональный тип территории; уровень концентрации хлоридов в подземных водах подольско-мячковского водоносного горизонта; По первым четырем показателям были построены карты на основе данных по скважинам. Также были построены карты водопроводимости, типа территории и концентрации хлоридов в воде.

1.3 Техногенные условия

Анализ рисунков 6, 7 и 8 показал, что для территорий с/х назначения загрязнение хлоридами подольско-мячковского горизонта наибольшее и превышает 3 ПДК, но есть небольшая территория на северо-западе района, где содержание хлоридов < 1 ПДК. Что, видимо, связано с хорошей защищенностью на данной территории водоносного горизонта.

Территория индустриального назначения характеризуется содержанием хлоридов < 1 ПДК и 1−3 ПДК.

Селитебным районам соответствует содержание хлоридов в подольско-мячковском горизонте < 1 ПДК и 1−3 ПДК, но есть небольшая зона, где это содержание превышает 3 ПДК. Видимо, это связано с тем, что здесь сосредоточены большие участки с/х и индустриального использования.

Таким образом, можно сделать вывод, что максимальное загрязнение хлоридами водоносного горизонта происходит в основном в области распространения с/х угодий.

Для формирования информационной модели имеющиеся карты значений показателей разбили на 96 блоков, размер каждого составил 1×1 км, и вычислили средние значения этих показателей по блоку.

· Далее было произведено разделение территории на обучающую и тестируемую. В нашем случае все 96 блоков на карте являются обучающими. А значения тестируемой части карты были даны изначально. Для оценки взаимной информативности имеющиеся средние значения показателей необходимо ранжировать. Для этого все имеющиеся 96 значений поделили на 3 ранга.

Важным является то, что число значений относящихся к тому или иному рангу не должно быть меньше 10. Иначе необходимо изменять шаги ранжирования. В нашем случае этим обстоятельством осложнилось ранжирование вертикального градиента, поэтому пришлось изменить шаги ранжирования, которые оказались неравнозначными. Ранжирование показателей приведено в таблице 2.

Проранжировав показатели, произведем переход от средних значений показателей к рангам. Ранжированные значения показателей по блокам приведены в таблице 3.

Число значений каждого из показателей, попавших в тот или иной ранг, приведены в таблице 4.

Аналогичные формулы для: сложных двоичных признаков: сложных троичных признаков. В нашем случае в качестве функции отклика является содержание хлоридов в водоносном горизонте. Таким образом, имея ввиду наличие 3-х рангов по хлору полная информативность равняется: начения логарифмов приведены в приложении 1. Узнав значения логарифмов получаем полную информативность: бит.

В дальнейшем при расчете взаимной информативности признаков 145,9 бит будут приняты за 100% информативности, по отношению к которой и будет выясняться наибольшая информативность признаков.

Производим расчет информативности простых признаков.

1. Суммарная защищенность.

2.

В дальнейшем при расчете информативности в скобочках сразу будут приведены значения .

2. Защищенность.

1. Уровень касимовского горизонта

2. Уровень подольско-мячковского горизонта

3. Вертикальный градиент

4. Водопроводимость

Все произведенные выше расчеты информативности простых признаков приведены в таблице 5.

Анализируя полученные результаты можно сказать, что половина признаков оказались практически не информативными, и ни один из признаков не показал минимальной информативности в 30% для дальнейшего их использования для диагностики и прогнозирования экологического состояния ПТГГС.

В сложившейся ситуации необходимо сформировать сложные двоичные и троичные признаки, чтобы повысить информативность имеющихся признаков с помощью способа перебора. Для этого выбираем 4 наиболее информативных признака таких как: суммарная защищенность; уровень касимовского горизонта; водопроводимость; тип территории ().

Нам необходимо выбрать 3 наиболее информативных двоичных признака и 1 троичный.

Вначале сформируем двоичные признаки и выберем наиболее информативные из них.

Здесь и в дальнейшем будут указаны в отдельном столбце сразу значения относительной информативности.

1. Суммарная защищенность и уровень касимовского горизонта ().

3. Суммарная защищенность и водопроводимость ().

4. Суммарная защищенность и тип территории ()

5. Уровень касимовского горизонта и водопроводимость ()

6. Уровень касимовского горизонта и тип территории ()

7. Водопроводимость и тип территории

Анализируя имеющиеся результаты расчетов, выбираем 3 двоичных признака с наибольшей информативностью:, , .

Теперь необходимо сформировать троичные признаки.

1. Суммарная защищенность, уровень касимовского горизонта и водопроводимость

2. Уровень касимовского горизонта, водопроводимость и тип территории

3. Суммарная защищенность, уровень касимовского горизонта и тип территории

4. Суммарная защищенность, водопроводимость и тип территории

В результате проведения расчетов информативности методом перебора, необходимо выбрать наиболее информативных три двоичных и один троичный признаков для того, чтобы произвести тестирование модели. Итоговые значения наиболее информативных сложных двоичных и троичных признаков сведены в таблице 6.

Таблица 6. Наиболее информативные сложные признаки

3. Тестирование модели

После определения более информативных сложных признаков необходимо произвести тестирование сформированной модели для выяснения её пригодности для дальнейшего прогноза. Для этого используется контрольная модель, с помощью которой, с использованием матриц взаимных переходов, считается сумма голосов. В контрольной части смотрят сочетание значений признаков и по матрице взаимных переходов определяют количество попаданий этих сочетаний в 1, 2 и 3 ранг по хлору и в итоге суммируют их. Тот ранг, в который попадет наибольшее значение сочетаний, будет считаться прогнозным. Этот ранг будет сравниваться с фактическим значением ранга по хлору. Чем больше будет совпадений прогнозных значений с фактическими, тем более пригодной для прогноза окажется наша модель.

Результаты диагностирования модели приведены в таблице 7

Анализируя таблицу стоит обратить внимание на так называемый «отказ», который свидетельствует об недостаточности значений показателей входящих в ранг. В нашей ситуации при нашей модели, разбитой на 96 блоков, идеальным количеством значений входящих в 3 ранга составляло бы 32. К сожалению, в нашей модели такое условие не выполняется. В некоторых случаях число значений входящих в ранг не превышает и 12. Это снижает эффективность нашей модели.

На основании составленной таблицы необходимо посчитать ошибку по формуле:, где — количество совпадений прогнозных значений и фактических.

Такая высокая ошибка свидетельствует об неэффективности сформированной нами информационной модели.

Если следовать методике диагностирования и прогноза экологического состояния ПТГГС, то после проведения тестирования имеющейся информационной модели, нам необходимо произвести прогноз состояния ПТГГС. В нашем случае, т.к. модель оказалась неэффективной, прогноз, с точки зрения здравого смысла, производить не стоит, потому что его результаты не будут корректными и достоверными. Но т.к. главной нашей целью является освоение методики проведения диагностирования и прогноза экологического состояния ПТГГС, прогноз необходимо произвести.

Результаты прогноза приведены в таблице 8.

Таблица 8. Результаты прогноза

Как уже было сказано выше, данный прогноз является некорректным и не представляет никакой ценности.

Заключение

В процессе проведения данной работы нами были оценены гидрогеологические, геологические и техногенные условия изучаемой территории, выяснено влияния имеющихся условий на загрязнение подольско-мячковского горизонта хлором, была сформирована информационно-диагностическая модель, подвергавшаяся тестированию. Выяснилось, что имеющаяся модель не эффективна, потому как имеет большую ошибку. В таком случае необходимо повышать эффективность модели, теми или иными способами.

На мой взгляд, есть несколько способов повышения эффективности модели, а именно: — замена показателей, не полностью связанных с функцией отклика и не сильно влияющих на ее изменение. В нашем случае, такими признаками, на мой взгляд, являются защищенность и вертикальный градиент, т.к. он имеет важную роль в местах перетекания, а таких мест на карте не много, поэтому его роль незначительна; - введение дополнительного показателя, такого как минерализация вод подольско-мячковского горизонта; - разбиение имеющихся значений не на 3 ранга, а, предположим, на 2 или 4 ранга; - изменить способ разбиения на обучающую и контрольную части; - уточнение достоверности исходных данных; - разбиение на ранги таким образом, чтобы в каждый ранг входило одинаковое количество значений показателя.

1. Учебное пособие Природно-технические гидрогеологические системы. М.: 2006 г.

2. Белоусова А. П., Гавич И. К., Лисенков А. Б. Попов Е.В., Экологическая гидрогеология