Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования

Актуальность работы. Проявляющаяся сырьевая направленность экономик отдельных регионов России, в том числе и Забайкальского края, развитие которых происходит за счет первоочередного освоения их минерально-сырьевых ресурсов, приводит к существенному увеличению техногенной нагрузки на окружающую среду территории, к ухудшению качества природных сред, что представляет угрозу для безопасности жизнедеятельности на этих территориях. Особенности географического положения, геоморфологических и природно-климатических условий Восточного Забайкалья обусловливают, в частности, высокий потенциал атмосферного загрязнения и крайнюю неустойчивость экосистем (особенно Севера края) к антропогенному воздействию. По этой причине развитие горнодобывающего и топливно-энергетического комплексов и постоянное наращивание транспортной инфраструктуры на территориикрая для освоения его минеральных и лесных ресурсов, сопровождающиеся вмешательством в функционирование экосистем, ведет к снижению качества геоэкологической среды, условий жизнедеятельности человека.

На современном этапе развития вычислительной техники и информационных технологий наблюдается значительный прогресс в создании и использовании средств обработки, передачи и хранения информации, различным образом организованной и структурированной. Для полноценного анализа ситуации, принятия правильных решений в сфере охраны и сохранения сложных экосистем одной «голой» информации явно недостаточно. Необходимы соответствующие адекватные и надежные способы ее обработки, анализа и представления. Оценка антропогенных воздействий на геоэкосистемы без использования современных методов математического моделирования и ГИС-технологий становится трудноразрешимой задачей.

Актуальность и важность применения математического моделирования в такого рода исследованиях усиливается тем обстоятельством, что их результаты имеют непосредственный практический выход в сферу социальных и экономических отношений современного общества [72].

Работа выполнялась в рамках программ научных исследований Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ранее ЧИПР СО РАН) таких как:

Программа № 5 «Математическое моделирование, информационные технологии и вычислительная техника» по научному направлению 8 «Математическое моделирование», проект 1: «Математическое моделирование природных процессов и анализ влияния антропогенных факторов на экосистемы Забайкалья»,.

Программа 24.1. «Природные процессы в ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия, географической основы сбалансированного развития территорий», Проект 24.1.6. «Потенциал сбалансированного развития районов периферийного типа (на примере Забайкалья)»,.

Программа 7.12.3. «Структурно-функциональная организация ландшафтов и научные основы рационального природопользования в условиях роста техногенных воздействий», проект 7.12.3.5. «Потенциал сбалансированного развития, экологический анализ состояния и оценка качества экономического роста трансграничных территорий (на примере Забайкалья.

Программы СО АН СССР «Сибирь», «Новые поколения вычислительной техники, математическое моделирование и информационные технологии», «Биосферных и экологических исследований» и др., а также в рамках научных исследований по нескольким хоз. договорам.

Кроме того, исследования выполнялись при поддержке грантов:

Глобального Экологического Фонда — Грант Global Environment Facility Trust Fund TF028315, (1997;2003), проект «Сохранение Биоразнообразия Российской Федерации» ,.

Российского Гуманитарного Научного Фонда (РГНФ) — проекты: о № 04−02−182а «Динамика процессов природопользования и качество экономического роста природно-ресурсного региона», 2004;2006, о № 07−02−56а «Воздействие инструментов государственного регулирования на экологическую модернизацию экономики», 2007;2009, о № 08−02−12 101 В «Информационно-аналитическая система для исследования динамики и качества экономического роста приграничных регионов», 2008;2009.

Работы по данным программам и проектам выполнялись при непосредственном участии автора.

Объект исследования — природные и природно-технические системы (Восточной Сибири).

Предмет исследования — антропогенное воздействие на природную среду и его последствия.

Цель исследования — разработка методов и технологий обработки и использования в среде ГИС многофакторной информации, в т. ч. и результаты сценарных расчетов по математическим моделям, для оценки состояния природных сред и прогноза их изменения в результате природопользования и техногенного воздействия.

Идея работы — комплексное использование математического и геоинформационного моделирования как инструмента геоэкологических исследований с целью прогноза и оценки экологической безопасности.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:

• усовершенствовать математическую модель гидродинамики атмосферы над ограниченной территорией со сложным рельефом для учета термических и динамических неоднородностей и разработать алгоритмы и программный комплекс ее численной реализации;

• провести апробацию разработанного программного комплекса для ряда территорий Забайкальского края (Читинской области), в числе которых Чарская и Читино-Ингодинская котловины, бассейны рек Хилок и Баляга в пределах Байкальской природной территории;

• разработать схему использования геоинформационных технологий для совершенствования методологии сценарного анализа, прогноза и оценки последствий антропогенного вмешательства в природную среду территорий;

• разработать технологию и создать программный модуль, автоматизирующий процессы извлечения из цифровых моделей информации о подстилающей поверхности (рельеф местности и др. характеристики), их обработки и ввода с целью последующего использования в качестве входной информации для численного моделирования последствий техногенного воздействия;

• провести апробацию предложенного подхода и созданного модуля для ряда существующих и проектируемых объектов, в том числе для проектов строительства Богучанской и Мотыгинской ГЭС;

• разработать методику анализа многофакторной информации, основанную на использовании геоинформационных технологий, для оценки последствий природопользования и техногенного воздействия на экосистемы, животный мир (оценка ущерба от строительства железнодорожной линии Нарын-Лугокан), построения и расчета интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды.

Научная новизна и значимость работы. Научная значимость выполненной работы заключается в ее междисциплинарном характере, комплексном использовании возможностей математического моделирования и геоинформационных технологий как метода геоэкологических исследований и инструмента выявления закономерностей взаимодействия природных и природно-технических систем, прогноза и оценки последствий этого взаимодействия, что привело к следующим результатам, содержащим элементы научной новизны. 1. Разработана и реализована в виде программно-аналитического комплекса методология прогноза и оценки состояния природных и природно-технических систем, последствий техногенных воздействий на окружающую среду, основанная на использовании геоинформационных технологий в мат тематическом моделировании локальных атмосферных процессов над ограниченными территориями с неоднородным рельефом. Использование этой методологии для проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС позволило дать прогноз изменений микроклимата в результате строительства этих гидротехнических сооружений;

2. Разработано и апробировано ГИС-приложение, предназначенное для построения регулярной прямоугольной расчетной сетки с любым заданным количеством узлов и с любым шагом, в любых единицах измерения, для привязки к ней информации о подстилающей поверхности и подготовки ее для использования в численной модели гидродинамики атмосферы. Данный модуль является эффективным инструментом планирования и проведения численных экспериментов для прогноза воздействия технических сооружений на окружающую среду, позволяет быстро получать информацию разной степени разрешения (с разными количеством узлов и шагами сетки), автоматизируя процессы ее получения, обработки и ввода в модель. Инструментарий модуля автоматизирует и существенно ускоряет и процесс ввода, отображения и анализа результатов моделирования в ГИС;

3. Разработан и реализован в среде ГИС сценарий прогнозной оценки ущерба от техногенного вмешательства в геоэкологическую среду. Предложенный инструментарий был апробирован в задаче прогнозной оценки размеров ущерба животному миру в результате строительства и функционирования проектируемой железнодорожной линии Нарын-Лугокан;

4. Предложен алгоритм построения интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды, основанный на использовании аналитических возможностей геоинформационных систем.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование разработанного программного комплекса численной реализации вариантов трехмерной мезомаспггабной модели гидродинамики атмосферы, включающего специализированные блоки подготовки входной информации о характеристиках рельефа и микроклимата территорий, визуализации и анализа результатов моделирования, позволяет оценивать и прогнозировать изменения качества атмосферы в областях со сложным рельефом. 2. Предложенная методика, основанная на комплексировании результатов геоинформационного и математического моделирования, предназначена для оценки состояния и прогнозирования изменений качества геоэкологической среды в природных и природно-технических системах, а также для выявления степени экологической безопасности проектируемых объектов и возможного ущерба в результате реализации их проектов.

Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность сформулированных в работе научных положений и выводов обеспечена:

— использованием современных методов исследований и технологий,.

— использованием в качестве базовых признанной мировой наукой математической модели гидродинамики атмосферы и ее методов реализации,.

— большим количеством тестовых расчетов, результаты которых подтверждают адекватность применяемых схем и алгоритмов,.

— достаточным количеством вычислительных экспериментов, выполненных при исследовании природно-технических систем с различными природно-климатическими условиями и уровнями техногенной нагрузки,.

— удовлетворительной сходимостью расчетных значений с данными наблюдений: относительная погрешность результатов не превышает 10%,.

— апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях,.

— использованием материалов исследований в инженерно-экологических изысканиях и ОВОС крупных технических проектов.

Личный вклад состоит в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов и методов решения, их реализации.

Поставленные цели и задачи проведенных исследований соответствуют пунктам 15, 17, 20 и 21 паспорта специальности 25.00.36 «геоэкология».

Практическое значение, апробация и внедрение. Материалы работы вошли в научные монографии «Экология городского водоема» (Новосибирск, Изд-во СО РАН, 1998) [139], «Экологические индикаторы качества роста региональной экономики» (2005) [154], Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Читинской области за 2004;2005 годы» (2006) [40], в тематические сборники статей [6, 33, 37, 71, 114, 116, 122, 138, 141], в отчеты по хоз. договорам [52, 99, 101, 148, 156].

Методология численного моделирования и созданный программный комплекс использовались в исследованиях мезометеорологических процессов и особенностей распространения загрязнений на территориях со сложным рельефом, таких как Чарская [6, 73, 90, 114, 138, 140] и Читино-Ингодинская [139] котловины, для оценки антропогенного влияния на экосистемы рек Байкальского бассейна — Хилок и Баляга [148 — 150], в пределах Байкальской природной территории. Кроме того, автор участвовала в работах по оценке возможных микроклиматических изменений в рамках экологических экспертиз таких крупных проектов как строительство Шилкинской [156]и Катунской ГЭС [101].

Предложенные методология и алгоритм оценки влияния природно-технических систем на природную среду окружающих территорий были применены в исследованиях, проводимых в рамках экологических экспертиз проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре (совместно с A.A. Фалейчи-ком и Э.А. Пьяновой) [99, 116, 118, 120 — 122, 144 — 146, 166, 167, 180, 181]. Использование созданного программного модуля позволило существенно сократить сроки выполнения работ. Материалы исследований переданы заказчику.

Результаты исследований по Богучанской ГЭС вошли в «Важнейшие результаты завершенных в 2008 г. фундаментальных исследований ИПРЭК СО РАН».

Предложенный автором геоинформационный подход к оценке состояния геоэкологической среды был использован в задачах оценки а) техногенной нагрузки на окружающую среду территории России и экосистемы Забайкальского края [32, 37, 142, 143, 151, 152, 154, 176] и б) качества жизни населения Забайкальского края [147].

Разработанная технология оценки техногенного воздействия на природную среду использована в инженерно-экологических изысканиях и разработке системы экологического мониторинга к проекту создания транспортной инфраструктуры для освоения минерально-сырьевых ресурсов юго-востока Забайкальского края, в рамках которых по каждому из районов Забайкальского края, затронутому реализацией проекта ж.д. линии Нарын-Лугокан, был оценен экономический ущерб, наносимый среде обитания животных [52, 80, 81]. Материалы исследований переданы заказчику.

Автор дважды (в 2003 и 2006 гг.) представляла результаты исследований на конкурс в SCGIS (The Society for Conservation GIS) — Международное общество природоохранных ГИС, получала индивидуальные гранты и приглашения на конференции общества, а также и на 23-ю и 26-ю Ежегодные международные конференции пользователей программных продуктов ESRI для выступлений с докладами о проведенных исследованиях. Участвуя в конкурсе по природоохранной программе компании ESRI, Inc. (Environment Systems Research Institute — Институт исследований систем окружающей среды, США) «The ESRI Conservation Program», автор выиграла 2 гранта, по которым в 2003 и 2006 гг. были получены программные продукты компании Are View 3.3 и ArcEditor 9.2 семейства ArcGIS с дополнительными модулями. В 2002 г. приглашалась оргкомитетом XI International conference IBFRA (Красноярск, 2002), для участия в работе Workshop GOFC «Boreal Forests and environment: local, regional and global scales» и выступления с докладом (индивид, грант).

Кроме того, все результаты проведенных исследований неоднократно докладывались на других международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и вузовских конференциях (всего более 40), среди которых: •International Conference on Computational Information Technologies for Environmental Sciences, CITES-2007, Томск, CITES-2009, Красноярск,.

•XI International conference IBFRA, Workshop GOFC «Boreal Forests and environment: local, regional and global scales», 2002, Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование — 2009», Красноярск, •Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS- 2008, VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды: КРОС-2008», XIII, XIV, XVI Рабочие группы «Аэрозоли Сибири», 20 062 009, XIII Международный симпозиум «Оптика Атмосферы и Океана. Физика Атмосферы», 2006, V Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия», 2003 — г. Томск,.

•VIII Международная конференция РОЭЭ «Экономическое развитие и окружающая среда: стратегии, модели, инструменты управления», Сочи, 2007, •IV, V Всероссийские конференции «Актуальные проблемы прикладной математики и механики», посвященные памяти академика А. Ф. Сидорова, 20 082 009, XII, XIII Всероссийские Школы-Семинары «Современные проблемы Математического Моделирования», 2007, XXXVI, XXXVII Всероссийские школы-семинары «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования», 2008;2009, Абрау-Дюрсо, •VI, VII, VIII, IX Всероссийские научно-практические конференции «Кула-гинские чтения», 2006 — 2009, Чита.

Результаты исследований и опыт, приобретенный в процессе их выполнения, используются автором в учебном процессе и дипломном проектировании студентов в Читинском государственном университете.

Для решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования атмосферных процессов, численные методы, геоинформационное и математико-картографическое моделирование.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, из них: 6 статей в реферируемых журналах, разделы в 2 монографиях, 10 статей в научных сборниках. Имеются рукописные работы (научные отчеты по госбюджетным и хоздоговорным темам) [52, 73, 100, 114, 148, 99, 155, 156].

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.э.н. И. П. Глазыриной, д.т.н. В. П. Мязину и Д.М. Шестерне-ву за высказанные замечания, ценные советы и консультации, к.ф.-м.н. A.A. Фалейчику и Е. А. Цветовой, Э. А. Пьяновой и Е. А. Клевакиной за неоценимую помощь, консультации, постоянную поддержку и внимание при подготовке диссертациид.г.-м.н. Б. Н. Абрамову и к.г.н. И. Е. Михееву за внимание и ценные советы при подготовке диссертации.

Выводы к главе 4.

1. Анализ результатов модельных расчетов по загрязнению атмосферы бассейна р. Хилок позволяет сделать вывод о возможности дальнего переноса значительных количеств атмосферных примесей, особенно не имеющих собственной скорости осаждения: распространение зон высоких концентраций примесей на высоту более 1000 м. Поэтому крупные источники загрязняющих выбросов г. Петровск-Забайкальский могут оказывать негативное влияние на атмосферу бассейна оз. Байкал в период с апреля до октября. С установлением Сибирского антициклона возможности дальнего переноса ограничены. Достаточно сложная вертикальная структура полей ветра, складывающаяся под влиянием рельефа местности, может способствовать и накоплению этих примесей на расстояниях 20 — 40 км от источника.

2. Результаты численного моделирования загрязнения воздушного бассейна Чарской котловины подтверждают мнение многих исследователей о существенном влиянии местных факторов на условия распространения загрязнения, демонстрируют возможность образования замкнутых циркуляций в межгорных впадинах, что представляет особую опасность накопления загрязнений при неблагоприятных метеоусловиях. Обнаружена высокая чувствительность размеров зон высокого загрязнения атмосферы к месту и высоте расположения источника выбросов.

3. Показано, что представленная в данной главе вычислительно-информационная технология, вычислительной компонентой которой служит численная модель локальных циркуляций атмосферы, а информационно-аналитической основой для обеспечения модели необходимыми входными данными и интерпретации результатов моделирования — геоинформационная система, предназначена для решения широкого круга задач по оценке антропогенного влияния на атмосферу и ее охраны. Сочетание двух этих компонент создает эффективное средство для решения задач оценки антропогенного влияния на качество окружающей среды и экологической безопасности природно-технических комплексов, в частности, при проведении экологических экспертиз проектных решений.

4. Эта технология позволяет представлять результаты численного моделирования в виде, хорошо известном и понятном конечному пользователю, а именно в виде карт.

5. При определении зон существенного влияния водохранилищ проектируемых Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре в дополнение к выводам об общей протяженности этих зон от водохранилища в разные сезоны года предлагаемая технология позволяет представить их детальные пространственные локализацию, конфигурацию и протяженность вдоль водохранилища.

6. Использование специально разработанного программного модуля позволило существенно сократить сроки выполнения работ по разделу ОВОС, касающегося оценки воздействия водохранилищ на микроклимат прилегающих территорий, с нескольких месяцев до нескольких недель, особенно на этапе представления и согласования результатов. Он эффективно заменяет трудоемкий процесс «извлечения» с бумажных топографических карт информации о подстилающей поверхности области моделирования, автоматизируя процессы ее получения, обработки и ввода в модель, строит регулярную прямоугольную расчетную сетку с любым заданным количеством узлов и с любым шагом, в любых единицах измерения. Модуль предоставляет возможность получать из одного источника информацию разной степени разрешения (с разными количеством узлов и шагами сетки). Его инструментарий автоматизирует и существенно ускоряет процесс интерпретации и анализа результатов моделирования.

7. Предложенный автором геоинформационный сценарий прогнозной оценки ущерба, наносимого животному миру и его среде обитания строительством и эксплуатацией технических сооружений, апробированный на проекте железнодорожной ветки Нарын-Лугокан, значительно повышает точность расчетов этого ущерба, так как повышается точность определения площадей разного типа угодий, подвергаемых различной степени техногенному воздействию. В этом контексте она зависит только от точности используемого картографического материала и точности его оцифровки.

8. Предложенный геоинформационный подход к оценке негативного антропогенного воздействия загрязняющими выбросами позволяет выявить взаимное влияние территорий и выделить очаги этого воздействия, а также представить результаты анализа в удобном для использования виде.

9. В ходе выполнения каждого из приведенных в работе исследований не только отрабатывались предлагаемые методы и технологии, но и по каждому проекту создавался геоинформационный каталог, включающий базы геоданных (БГД). В них хранится вся используемая в проекте информация: файлы с результатами модельных расчетов, слои топоосновы, вспомогательная информация по модельной территории, а также все построенные в среде ГИС векторные и растровые слои. Все слои объединены в наборы, имеющие общую систему координат. Таким образом, разработанная методология и ее техническая реализация позволяют в случае необходимости, провести новую выборку, произвести расчеты с другими параметрами, оперативно подготовить уточняющую информацию, например, по отдельному участку территории, изменить способ отображения результатов, и т. п. Все полученные в результате изложенных исследований тематические слои (векторные и растровые) оценочных карт могут быть использованы в моделях других интегральных индикаторов для геоэкологической оценки территорий и оценки экологической безопасности в качестве составляющих компонентов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация является завершенной научно-квалификационной работой, в которой автором исследований предложен комплексный подход по использованию математического и геоинформационного моделирования как метода и инструмента геоэкологических исследований. Основные результаты и выводы выполненной работы:

1. Показано, что представленный в данной работе вычислительно-информационный комплекс, вычислительной компонентой которого служит численная модель локальных циркуляций атмосферы, а информационно-аналитической основой для обеспечения модели необходимыми входными данными и интерпретации результатов моделирования — геоинформационная система, предназначен для решения широкого круга задач по оценке антропогенного влияния на атмосферу и ее охраны. Сочетание двух этих компонент создает эффективное средство для решения задач оценки антропогенного влияния на качество окружающей среды и экологической безопасности природно-технических комплексов, в частности, при проведении экологических экспертиз проектных решений. Окончательные результаты численного моделирования представляются в виде, удобном и понятном конечному пользователю, в том числе и в виде карт.

2. Использование комплекса позволяет адекватно оценивать и обоснованно прогнозировать изменения качества геоэкологической среды территорий, вызываемые существующими или проектируемыми инженерно-техническими сооружениями.

3. Разработан и апробирован программный модуль, предназначенный для построения регулярной прямоугольной расчетной сетки с любым заданным количеством узлов и с любым шагом, в любых единицах измерения, для привязки к ней информации о подстилающей поверхности и подготовки ее для использования в численной модели гидродинамики атмосферы. Модуль предоставляет возможность получать из одного источника информацию разной степени разрешения. Его инструментарий автоматизирует и существенно ускоряет процесс интерпретации и анализа результатов моделирования, что позволяет существенно сократить сроки выполнения работ по разделу ОВОС, касающегося оценки воздействия водохранилищ на микроклимат прилегающих территорий, с нескольких месяцев до нескольких недель, особенно на этапе представления и согласования результатов.

4. Материалы исследований по Богучанской и Мотыгинской ГЭС переданы в НП ЦЭО «Эколайн» и были использованы в рамках ОВОС этих проектов.

5. Предложенный автором способ прогнозной оценки ущерба, наносимого животному миру и его среде обитания строительством и эксплуатацией технических сооружений, апробированный на проекте железнодорожной ветки Нарын-Лугокан, значительно повышает точность расчетов этого ущерба, так как повышается точность определения площадей разного типа угодий, подвергаемых различной степени техногенному воздействию. В этом контексте она зависит только от точности используемого картографического материала и точности его оцифровки.

6. Материалы исследований, полученные с использованием авторских разработок, переданы ООО «Корпорация Инжтрансстрой» и были использованы в разработке системы экологического мониторинга в рамках реализации 1 этапа «Строительство новой линии железной дороги Нарын-Лугокан» инвестиционного проекта «Создание транспортной инфраструктуры для освоения минерально-сырьевых ресурсов юго-востока Читинской области».

7. Предложенная технология анализа многофакторной информации для оценки территории на основе построенных в среде ГИС индикаторов состояния природной среды, степени антропогенного воздействия на нее, а также социально-экономической ситуации на рассматриваемой территории позволяет получить информационную базу для процедуры принятия решений, которая может служить основой прогнозирования и индивидуального, в разрезе административных единиц, планирования социально-экономического развития территории. Геоинформационный подход к оценке негативного антропогенного воздействия загрязняющими выбросами позволяет выявить взаимное влияние территорий и выделить очаги этого воздействия, а также представить результаты анализа в удобном для использования виде.

8. В ходе выполнения каждого из приведенных в работе исследований не только отрабатывались предлагаемые методы и технологии, но и по каждому проекту создавались геоинформационные каталоги, включая персональные базы геоданных (БГД). В них хранится вся используемая в проекте информация: файлы с результатами модельных расчетов, слои топоосновы, вспомогательная информация по модельной территории, а также все построенные в среде ГИС векторные и растровые слои. Все слои объединены в наборы, имеющие общую систему координат. Таким образом, в случае необходимости, достигается возможность провести новую выборку, произвести расчеты с другими параметрами, оперативно подготовить уточняющую информацию, например, по отдельному участку территории, изменить способ отображения результатов и другие возможности. Все полученные в результате изложенных исследований тематические слои (векторные и растровые) оценочных карт могут быть использованы в качестве составляющих компонентов в моделях построения других интегральных индикаторов состояния геоэкологической среды и оценки территорий.

9. Материалы исследований и авторские технологии используются в учебном процессе ЧитГУ в рамках курсов «Введение в ГИС» и «Технологии и ПО ГИС» на III и IV курсах специальности «Прикладная информатика», в преддипломной практике и дипломном проектировании.