Геоинформационное моделирование распространения загрязнений в горнопромышленном регионе

Согласно Закону РФ «Об охране окружающей природной среды» промышленные предприятия, в том числе горнодобывающие, стремятся привести свою производственно-хозяйственную деятельность к установленным нормативно-правовым и экологическим требованиям (ГОСТы 17.2.3.02−78, 17.1.3.13−86, 17.0.0.04−90 и др.). Для горной промышленности особенно актуален экологический мониторинг в связи со значительными выбросамл вредных веществ от различных производственных источников. С целью избежания штрафных санкций, а также рационального использования средств на природоохранные мероприятия необходимо своевременно реагировать на неблагоприятные (аварийные) ситуации, связанные с загрязнением окружающей среды.

Исследования в этой области показали, что достоверность мониторинга напрямую зависит от качества оборудования для замера проб наличия, постов, станций наблюдения за метеопараметрами и количества последних. Расходы на контроль состояния природной среды вокруг каждого промышленного объекта весьма значительны. Поэтому разработка методов и средств расчетного, модельного определения экологической ситуации по сравнительно небольшому количеству фактически замеряемых параметров, несомненно, является актуальной научной и практической задачей.

Цель исследования заключается в разработке нового геоинформационного подхода к моделированию экологических ситуаций, позволяющего объединять на единой картографической основе разнородные модели и данные и исследовать изменчивость состояния природной среды в пространстве и времени.

Задачи исследования: — анализ экологического мониторинга в горнопромышленном регионе с целью определения нового подхода к оценке состояния окружающей среды;

— разработка геоинформационного подхода к моделированию экологических ситуаций для решения задач контроля и управления экологическим состоянием природной среды;

— создание геоинформационных моделей и методов для моделирования выброса, переноса и накопления вредных веществ в горнопромышленном регионе;

— разработка объектно-ориентированного метода представления данных об изменчивости загрязнений в пространстве и времени в виде динамических ГИС-моделей зон загрязнения;

— апробация разработанных моделей и методов с использованием данных по Междуреченскому угледобывающему региону Кемеровской области.

Идея работы заключается в объединении ГИС — технологий и объектно-ориентированной методологии моделирования для создания имитационной модели распространения и накопления загрязнений. Такая модель позволяет учесть нестационарность выбросов вредных веществ, метеоусловий, характер подстилающей поверхности и дает возможность построения карт изменчивости загрязнений в пространстве и времени.

Основные научные положения, разработанные соискателем и их новизна:

— разработан геоинформационный подход к моделированию экологических ситуаций, позволяющий объединять на единой картографической основе разнородные модели и данные с целью исследования и контроля состояния природной среды;

— на основе совокупности объектно-ориентированной методологии и технологий ГИС разработана открытая, масштабируемая в пространстве и времени имитационная модель распространения загрязнений, позволяющая проводить исследование изменчивости экологического состояния окружающей среды в пространстве и времени;

— предложен метод представления данных о загрязнении в виде динамических ГИС-моделей, который позволяет учесть нестационарность выбросов, метеоусловий и подстилающей поверхности;

— предложен методический подход к расчету концентраций загрязняющих веществ в атмосфере и на поверхности земли.

Достоверность научных положений, сформулированных в диссертации, подтверждается:

— корректным использованием нормативных методик расчета рассеяния, методов математической статистики и геомоделирования;

— положительными результатами апробации имитационной модели, построенной на основе разработанного автором геоинформационного подхода.

Научная значимость работы состоит в разработке нового геоинформационного подхода к моделированию экологических ситуаций, заключающегося в объединении на единой картографической основе разнородных моделей и данных с целью исследования изменчивости состояния природной среды в пространстве и времени.

Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий:

— системный анализ;

— объектно-ориентированная методология разработки и моделирования сложных систем;

— методы теории вероятностей и математической статистики;

— методы пространственного анализа, хранения, преобразования, отображения и обработки пространственно-распределенных данных в ГИС.

Практическая значимость работы состоит:

— в разработке методики расчета приземных концентраций вредных веществ на базе ГИС-моделей зон загрязнения, позволяющей учесть динамику процесса распространения загрязнений;

— в формировании системы электронных карт горнопромышленного региона как основы геомоделирования экологических ситуаций;

— в создании программного обеспечения, обеспечивающего функционирование имитационной модели распространения загрязнений на базе ГИС Arc View.

Апробация работы. Основное содержание работы и ее отдельные положения докладывались на научных симпозиумах «Неделя горняка» (г. Москва, 2001;2003 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложений. Общий объем диссертации составляет 111 страниц, в том числе содержит 105 страниц основного текста, 22 рисунка, 12 таблиц.

Список литературы

включает 57 наименований.

Выводы ч.

В Главе 4 была создана имитационная модель распространения загрязнений в атмосфере Междуреченского угледобывающего региона Кемеровской областивыполнена апробация предложенных в рамках геоинформационного подхода моделей и методов.

Были выделены основные загрязнители атмосферного воздуха на территории угледобывающего предприятиясобраны материалы по метеопараметрам регионапостроена электронная топографическая карта — план поверхности шахты им. Ленина и шахты Усинскаярассчитаны поля концентраций оксида углерода, определены границы расчетной санитарно-защитной зоны для ш. им. Ленина.

Апробация разработанных моделей и методов с использованием данных о загрязнении атмосферы Междуреченского горнопромышленного района, показала адекватность предложенных в диссертационной работе моделей, методов и подхода в целом.

В Главе 4 определены основные перспективы использования геоинформационного подхода, среди которых:

— решение задач анализа и контроля сети мониторинга (сокращение количества постов наблюдений);

— моделирование распространения загрязнений в воде, почве, различных слоях атмосферы и другие.

Предложенный геоинформационный подход может быть применим при моделировании различных ситуаций, связанных с использованием пространственных данных, изменяющихся во времени.

Заключение

.

В настоящей работе с применением объектно-ориентированной методологии и технологии ГИС решена важная научно-практическая задача разработки нового геоинформационного подхода к моделированию распространения загрязнений.

При этом:

1. Исследована система экологического мониторинга в горнопромышленном регионе, рассмотрены методы расчета распространения примесейпроведен анализ современных информационных технологий, используемых при моделировании распространения загрязнений. Сформулированы предпосылки разработки нового геоинформационного подхода к моделированию экологических ситуаций, как одного из важных этапов мониторинга.

2. Разработан новый геоинформационный подход к моделированию экологических ситуаций, позволяющий объединять на единой картографической основе разнородные модели с целью исследования изменчивости состояния природной среды в пространстве и времени.

3. Разработана имитационная модель распространения загрязнений, которая позволяет проводить исследование состояния природной среды и отличается от существующих универсальностью структуры, свойствами открытости, наращиваемости и масштабируемости в пространстве и времени. Такая модель позволит учесть нестационарность выбросов, метеоусловий, характер подстилающей поверхности и даст возможность строить карты изменчивости загрязнения природной среды в пространстве и времени. Имитационная модель востребована при проведении оценки воздействия горного предприятия на окружающую среду (для нужд экологической службы предприятия1 и внешних органов экологического контроля). Она позволит лицам, принимающим решения, (ЛПР) повысить качество своих решений за счет проверки правильности выбранных мероприятий и приоритетов природоохранной деятельности в режиме реального времени и тестовом.

4. Разработан объектно-ориентированный метод представления данных об изменчивости загрязнений в пространстве и времени в виде динамических ГИС-моделей зон загрязнения. Метод позволяет отобразить динамику процесса распространения загрязнений, а также более экономно хранить и эффективно обрабатывать данные о загрязнении, по сравнению с традиционными методами (представление загрязнения в виде набора координат и соответствующих им значения концентраций примесей). Для построения динамических пространственных образов — моделей загрязнения использована объектно-ориентированная модель данных ГИС.

5. Разработана методика расчета приземных концентраций вредных веществ на базе динамических ГИС-моделей зон загрязнения, которая позволяет учитывать нестационарность выбросов, метеоусловий и характера подстилающей поверхности. В процессе разработки методики автором предложена математическая модель интегральной поверхности зоны загрязнения, скапливающегося в приземном слое атмосферы. Интегральная поверхность задает логнормальный характер распределения примеси в направлении оси воздействия ветра, а в направлении, перпендикулярном оси внешнего воздействия, — распределение примеси подчинено гауссову закону. При проекции интегральной поверхности образуются поля концентраций, которые участвуют в построении динамической ГИС-модели загрязнения.

6. Сформирована система электронных карт горнопромышленного региона как основа геомоделирования экологических ситуаций.

7. Создано программное обеспечение, обеспечивающее функционирование имитационной модели распространения загрязнений на базе ГИС АгсУ1еш.

8. Апробация разработанных моделей и методов с использованием данных о загрязнении атмосферы Междуреченского горнопромышленного района, показала адекватность предложенного автором подхода.

Среди перспектив использования разработанных геоинформационных моделей и методов отметим следующие:

— Объектно-ориентированный подход к построению имитационной модели позволит создавать и использовать библиотеки типовых моделей-модулей, которые позволят снизить размерность и трудоемкость проектирования.

— Разработанный объектно-ориентированный метод представления загрязнения природной среды в виде динамических ГИС моделей может быть применен при моделировании экологического состояния любого промышленного региона, там, где используются пространственные данные, распределенные во времени.

— Разработка и использование динамических ГИС моделей зон загрязнения позволит не только обобщать, ранжировать и организовывать разнородную.

98 информацию, полученную в результате проведения мониторинга, но и активно использовать ее в целях экологического контроля и управления. Так, инструментарий ГИС позволяет осуществлять пространственные запросы к данным и выбирать, все жилые объекты, попавшие в зону загрязнения со значением концентрации примеси, превышающим ПДК в заданное число раз. Для таких объектов следует разработать необходимые защитные мероприятия или дать рекомендацию провести дополнительные исследования загрязнения на объектах.

— На базе созданной имитационной модели распространения загрязнений предполагается решать задачи анализа и контроля сети мониторинга (сокращать количество постов наблюдений). Поля концентраций примеси, наложенные на карту поверхности, могут быть использованы при проектировании природоохранных мероприятий (планировании границ санитарно-защитных зон, территорий, участков лесопосадок и т. д.) — для анализа взаимосвязей между различными факторами производства и состоянием окружающей среды.

Перспективы использования разработанного геоинформационного подхода, включают и моделирование распространения загрязнений в воде, почве, различных слоях атмосферы.