Математическое моделирование и разработка программного комплекса в задачах эколого-геохимического мониторинга урбанизированной территории

Актуальность темы

Развитие урбанизированных территорий требует все более интенсивного потребления природных ресурсы с использованием возрастающих по своей мощи технических средств. Завоевывая природу, человек в значительной мере подорвал естественные основы собственной жизнедеятельности, нарушил взаимодействие между жизненно важными средами обитания, такими как атмосфера, литосфера, гидросфера, пищевые цепи. В исследовании степени загрязнения этих сфер важное место занимает изучение и детальная оценка экологической ситуации в регионе, городе, сельской местности. Важность ее использования трудно переоценить при проведении мониторинга городской территории, проектировании рекреационных зон, детских дошкольных учреждений, спортивных комплексов и т. д. Городская среда предстает как целостность, включающая природную основу, «техногенный покров» и людскую популяцию. В этом отношении город должен рассматриваться с различных позиций — естественнонаучных, градостроительных, социально-экономических, демографических, медицинских, экологических и многих других.

В настоящее время актуальна возможность разработки различных моделей городской среды, каждая из которых отражает специфический аспект этой среды в объектном и предметном, временном и пространственном разрезах. При этом они тесно взаимосвязаны между собой, что особенно существенно при комплексном подходе к оценке структуры и состояния городской системы и создания соответствующих географических информационных систем (ГИС). Использование ГИС дает возможность проведения быстрого анализа существующего положения на урбанизированной территории, построения различных экологических карт, а также моделирования возможных сценариев развития экологической обстановки на территории города, например, на основе перспективного плана развития.

Применение современных компьютерных средств и технологий во многом облегчает эту задачу. Многочисленные данные, накопленные в результате проводимых исследований в течение целого ряда лет в памяти компьютера, становятся более доступными для исследователей.

Целью данной диссертационной работы является создание эффективного инструмента информационного обеспечения и поддержки управленческих решений по регулированию экологической обстановки в городе.

Для достижения поставленной цели было определены следующие задачи исследования:

1. Провести анализ существующих методов оценивания экологической ситуации на урбанизированной территории.

2. Разработать и реализовать информационно-аналитическую систему для обеспечения хранения и обработки имеющейся информации об эколого-геохимическом мониторинге г. Ростова-на-Дону.

3. Разработать и реализовать балансовую геохимическую модель миграции загрязняющих веществ на урбанизированной территории.

4. На фактическом материале мониторинга г. Ростова-на-Дону опробовать модель оценки экологической ситуации на урбанизированной территории.

5. Используя инструментарий геоинформационной системы ArcGis:

— разработать инструментарий автоматического построения различных карт, для оперативного оценивания эколого-геохимического состояния рассматриваемой урбанизированной территории;

— провести геоинформационное моделирование процессов загрязнения городской среды и комплексный анализ экологического состояния г. Ростова-на-Дону.

Материалы и методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, математической статистики, методы объектно-ориентированного программирования, а также принципы геомоделирования пространственно распределенных объектов. В качестве фактических данных были использованы материалы, полученные в результате исследований, проводимых Комитетом по охране окружающей среды в г. Ростове-на-Дону.

Научная новизна. Анализ данных, полученных в результате проведения эколого-геохимического мониторинга, требует от специалистов, их использующих, как знание математических методов, так и основных положений экогеохимии. Без этого значительно усложняется задача оперативной оценки состояния окружающей среды. Разработанный в работе инструментарий позволяет:

— осуществлять комплексную оценку состояния выбранной городской территории;

— использовать данные, полученные в результате расчета по модели, входящей в состав комплекса, для построения различных экологических карт, в том числе карты экологической комфортности проживания;

— получить оптимально расположенную сеть точек отбора проб эколого-геохимического мониторинга.

Универсальность разработанного программного комплекса позволяет быстро его адаптировать для исследования экологического состояния любой урбанизированной территории.

Практическая значимость. Результаты данной диссертационной работы могут быть использованы:

— в природоохранных организацияхзанимающихся контролем и оценкой качества природной среды;

— в земельном комитете и центре приватизации для получения экономической оценки земельных территорий и жилого фонда с учетом экологических требований;

— для подготовки специалистов в области природоохранной деятельности.

Разработанный программный комплекс представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков.

Достоверность научных положений и выводов обусловлена использованием математических методов, реальных данных, применением методов оценки достоверности данных, согласованием данных, полученных в результате расчетов, с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на V международной конференции женщин-математиков «Математика. Экономика» (г. Ростов-на-Дону, 1997), межвузовской научно-технической конференции «Экологи, безопасность и эффективность производства» (г. Ростов-на-Дону, 1998), Всероссийской школе-семинаре «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования» (г. Ростов-на-Дону, 1998, 2000, 2002, 2005, 2007), Всесоюзной конференции «Экология города» (г. Кировочепецк, 2000), конференции «Здоровье города — здоровье человека» (г. Ростов-на-Дону, 2001).

Результаты диссертационной работы использованы и внедрены в Комитете по охране окружающей среды г. Ростова-на-Дону.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 16 научных работах.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Разработана математическая модель для оценки и прогнозирования загрязнения ландшафтов урбанизированной территории тяжелыми металлами.

2. Разработан и реализован программный комплекс «Состояние окружающей среды урбанизированной территории», предназначенный для обеспечения выполнения основных задач эколого-геохимического мониторинга городской территории.

3. Создана геоинформационная среда «Состояние окружающей среды в г. Ростове-на-Дону».

4. Проведена оценка современного уровня загрязнения г. Ростова-на-Дону по результатам геохимического мониторинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Ухудшение состояния природной среды и обеспечение экологической безопасности требуют создания визуального образа новой экологической реальности. Этой задаче наиболее соответствуют методы экологического мониторинга, адекватно отражающие экологическую обстановку как мира, так и отдельных стран и локальных регионов.

Постоянный экологический мониторинг позволяет объективно оценивать влияние различных факторов на экологическое загрязнение средыдает возможность прогнозировать возникновение опасной ситуации и обнаружить ее в самом начале развития событий, что, в свою очередь, позволяет вовремя принять правильные управленческие решения в производственном процессе и разрешать возникшие нештатные ситуации, сохранить здоровье и жизни людей.

Таким образом, экологический мониторинг представляет собой инструмент экологического регулирования, позволяющий создать информационную базу, необходимую для выполнения задач экологического управления, контроля и пространственного анализа.

Оценка городской среды подразумевает всесторонний анализ воздействия различных факторов (транспорт, выбросы предприятий, шумовая нагрузка) на один из самых главных элементов этой среды — на человека.

Основой геохимических исследований городской среды является оценка распределения тяжелых металлов и некоторых других ингредиентов в природных средах, концентрирующих загрязнения: почвенный, снеговой, растительный покровы, подземные и поверхностные воды.

На основе суммарного показателя загрязнения и с учетом класса опасности каждого рассмотренного элемента разработана и реализована возможность автоматического построения карт оценки степени опасности ассоциаций химических элементов для городской среды.

Для моделирования использовались разработанная балансовая геохимическая модель миграции загрязняющих веществ на территории города и методы пространственного анализа ГИС. Методом обратно взвешенных расстояний были построены поверхности распределения загрязняющих веществ на территории г. Ростова-на-Дону.

Оценка степени опасности проведена по классификации, основанной на превышении суммарного показателя концентраций допустимого уровня. Для промышленной зоны суммарный показатель концентраций допустимого уровня может быть рассчитан по классификации, предложенной Сизовым А. П., согласно которой шкала опасности загрязнения менее жесткая [75].

На основе клиент-серверной технологии был создан программный комплекс, состоящий из информационно-аналитической системы, геоинформационной среды, блока расчета данных с использованием балансовой модели миграции загрязняющих веществ и блока моделирование оценки качества окружающей среды.

Созданный программный комплекс отвечает всем поставленным задачам.

На базе ArcGIS была создана геоинформационная среда, представляющая систематизированный свод сведений, качественно и количественно характеризующий экологическое состояние городской среды.

Проведенный анализ показал, что наиболее напряженная экологическая ситуация складывается на территории крупных промышленных объектов, участках вдоль железнодорожных магистралей и в районах железнодорожных станций. Ситуация на остальной части территории города в основном может быть оценена как допустимая и умеренно опасная для экологического баланса природной среды.

Разработанная ГИС может быть использована при проектировании территорий и для принятия управляющих решений по охране окружающей среды и рациональному природопользованию, а также служить основой для построения многоуровневых систем мониторинга.

Итогом диссертационной работы явилось создание и добавление в уже существующую структуру мониторинга и прогноза загрязнения экосистемы важного информационного звена в виде программного комплекса, обеспечивающего ввод, обработку, интерпретацию и визуализацию пространственно-координированных данных для их эффективного анализа и решения задач моделирования экологической ситуации.

Результаты данной диссертационной работы могут быть использованы в природоохранных организациях, занимающихся контролем и оценкой качества природной средыв земельном комитете и центре приватизации для получения экономической оценки земельных территорий и жилого фонда с учетом экологических требованийдля подготовки специалистов в области природоохранной деятельности. Разработанный программный комплекс представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков.