Научно-методические основы диагностирования эколого-гидрогеологических систем

В современной постановке мониторинг подземных вод представляет собой целенаправленную систему повторяющихся регламентированных наблюдений за изменением состояния подземных вод под воздействием природных и техногенных факторов, непосредственно «вязанную организационно и методически с решением задач прогноза и управления /Положение «О государственном мониторинге подземных вод РФ». 1992, [144|/. Аналогичные, близкие по смыслу определения, приводятся в работах Мироненко В. А., 1994, [124] и Шестакова В. М., 1994, [179^. При рассмотрении проблем, ориентированных на организацию мониторинга подземных вод конкретного региона, возникает целый ряд задач, решение которых ставит специалиста перед выбором и требует часто интуитивного подхода к принятию решений. Подобные задачи сложно переводятся на язык математических методов, не имеют строгого математического завершения и выделяются в класс так называемых «неформальных» /Ш.А.Губерман, 1987/ или «эвристических» -требующих принятия альтернативных решений в процессе реализации задачи и, в случае необходимости, переоринтировки стратегии исследований или корректировки концептуальной модели изучаемого процесса.

В условиях возрастающей интенсивности техногенной нагрузки на гидролитосферу актуальное значение приобретают следующие задачи, имеющие неформальную сущность и отнесенные нами к классу диагностических: I/ евязанныз с изучением распределения интенсивности техногенной нагрузки и реакции на нее природных объектов в пределах изучаемой территории- 2/ ориентированные на предсказание экологической ситуации в связи с ростом техногенной нагрузки и увеличением ее разнообразия.

Первый тип задач известен в гидрогеологии под названием задач типологического районирования, поскольку их суть заключается в выделении типологических единиц различного уровня иерархии, характеризующихся общими показателями влияния человека на гидролитосферу и адекватной ответной реакцией ее подсистем. По формальной математической постановке такие задачи являются задачами, которые заключаются в отнесении объекта к тому или иному классу по комплексу априорно-значимых признаков.

Второй тип задач по постановке близок к задачам геологического /или инженерно-геологического/ прогноза, главной задачей ко-^ торого является предсказание наличия геологического объекта /рудного или геологического тела/ по комплексу априорно-значимых признаков или предсказание значения какого-либо из признаков /концентрации рудного компонента, показателя состояния геосреды и т. п./. В гидрогеологических исследованиях второй тип целенаправленно не используется, поскольку интенсивно разрабатывается направление, ориентированное на решение прогнозных гидрогеологических задач, главное отличие которых от диагностических заключается в том, что направлены на предсказание будущего состояния гидрогеологических систем в связи с изменением начальных, граничных условий или параметров системы. В практике эколого-гидрогеологических исследований второй тип задач не менее важен, чем прогнозные проработки, поскольку позволяет оперативно оценивать интенсивно изменяющуюся эколого-гидрогеологическую обстановку в разных районах изучаемой территории и поставлять информацию для принятия управленческих решений. Мы объединяем оба типа зколого-гидрогеологических задач в класс диагностических по формальным признакам, принятым в математике [25,59, 14б] /Ю.А. Воронин, 1982; И. И. Елисеева, В. О. Рукавишников, 1977; &-.В. Прохоров, Д.А. Д. А. Родионов, 1977/, в математической логике первые «темпоральны» по своей.

79] /В.Л. Кожара, 1982 и др./ и предлагаем единую методологию их решения, базирующуюся на системном подходе к анализу эколого-гидрогеологических проблем и комплексном использовании факторного и информационного анализа.

Главной целью исследований явилась внесенная в заглавие работы разработка научно-методических основ диагностирования эколо-го-гидрогеологических систем /ЭГГС/. При этом, вводя термин «диагностика ЭГГС» автор понимает его достаточно широко, включая в круг задач, реашаемых с помощью разработанной методики: I/ задачи типологического районирования территории ЭГГС по комплексу показателей ее состояния и интенсивности техногенной нагрузки различного характера- 2/ задачи предсказания реакции состояния геосреды, социальных последствий интенсивной техногенной нагрузки и перспективное районирование изучаемой территории.

Основные задачи исследований формулируются еле. дующим образом.

1. Обобщить накопленные теоретические и практические разработки по использованию системного подхода в гидрогеологии, ряде направлений поисковой и разведочной геологии, а также в географических и эколого-географических исследованиях в целях: а/ создания понятийной базы эколого-гидрогеологических исследованийб/ разработки общих принципов системного подхода к выделению и моделированию ЭГГС.

2. Разработать схему стадийности процесса трансформации эколого-гидрогеологических условий, соответствующие каждой стадии концептуальные модели и требования к построению их математических и неформальных разновидностей. реыеыия.

3. Разработать методику*дйагностических задач различной степени сложности, включающих: а/ районирование территории ЭГГС по комплексу априорно-значимых показателей и по интенсивности техногенной нагрузкиб/ предсказание реакции геосреды на техногенное воздействие различного характера и интенсивности, социальных последствий такого воздействия.

4. Обосновать возможность использования аппарата теории информации для решения сложных диагностических эколого-гидрогеологических задач.

5. Создать диагностическую систему «Экогеоинформ», работающую в режиме диалога с экспертом-гидрогеологом и обучения, позволяющую: а/ вырабатывать стратегию эколого-гидрогеологического картографирования, ориентированную на снижение затрат на проведение специальных изысканий без потери информативности строящихся картб/ строить диагностические эколого-гидрогеологические карты по отдельным показателям состояния геосреды и интегральным параметрам, учитывающим комплексное влияние выделенных факторовв/ поставлять информацию для принятия управленческих решений, обосновывающих целенаправленное снижение /перераспределение/ техногенной нагруз-кии и улучшение эколого-гидрогеологических условий региона.

6. Подтвердить эффективность предложенной методологии диагностирования ЭГГС решением серии практических задач на материалах конкретных природно-техногенных гидрогеологических объектов в Западном Казахстане, в Туркменистане, в Московской области.

В работе впервые разработаны или получили дальнейшее развитие:

1. Понятие об эколого-гидрогеологической системе /ЭГГС/, сформулированние с учетом комплекса прямых и обратных связей между входящими в состав подсистемами /техногенной, ландшафтно-климати-ческой, гидрогеологической/ и внешней средой /социальные системы/.

2. Терминологическая база для: описания состава и структуры эколого-гидрогеологических системпроцесса их трансформации под по воздействием возрастающей во времени и расширяющейся^площади техногенной нагрузкипостроения системных моделей.

3. Единая методология диагностирования ЭГГС, включающая в себя:

— методику типологического районирования территории ЭГГС с использованием факторного анализа, позволяющую на основе единой базы данных генерировать серию карт районирования по интенсивности различного рода техногенной нагрузки в интегральных показателях, решать вопросы формирования химического состава подземных вод, установления факторов и источников их загрязнения и организации мониторинга;

— методику информационного анализа, комплексирующего аппарат теории информации и неформальные (эвристические) приемы для районирования недостаточно изученных в гидрогеологическом отношении регионов в целях диагностирования реакции геосреды на техногенное воздействие по ограниченному кругу информативных показателей;

— методику картографирования показателей состояния ЭГГС на базе обучающихся информационных моделей;

— подход к выделению параметров, лимитирующих состояние ЭГГС («активных параметров») и решению задачи управления путем регулирования их состава и структуры.

В основу методологии положен фундаментальный принцип кибернетики — закон необходимого разнообразия Эшби, реализованный при построении информационных моделей диагностирующей системой «Эко-ге оинформ» .

Рассмотренный в работе ''информационный подход к анализу и диагностированию экологических ситуаций является перспективным направлением в изучении и моделировании гидрогеологических и эколого-гидроге (c)логических ситуаций и дает возможность как самостоятельного использования, так и комплексированиясмоделями межотраслевого баланса, постоянно действующими моделями, частными эколого-гидрогео логическими моделями. Дальнейшая разработка методики информационного анализа выводит на создание самообучающихся экспертных систем, позволяющих в автоматизированном режиме оценивать частные эколого-гидрогеологические условия конкретного региона, а также обитую эколого-гидрогеологическую ситуацию в его пределах, диагностировать состояние ЭГГС в пределах неизученных территорий, выдавать информацию для принятия управленческих решений по енижению/трано-формации/ техногенной нагрузки.

На защиту выносятся научно-методические основы диагностирования ЭГГС, которые базируются на следующих положениях.

1. ЭГГС характеризуется как открытая, динамическая система, представляющая собой целостную совокупность гидрогеологических /ГГС/, ландшафтно-климатических /ЛКС/ и техногенных /ГГС/ подсистем, объединенных определенными взаимоотношениями и связями, находящимися во взаимодействии и на определенной стадии трансформации, в пределах речного гидролитосферного бассейна определенного уровня иерархии.

2. В гидрогеологических исследованиях выделяется две группы задач, ориентированных на диагностирование состояния ЭГГС.

2.1. Задачи эколого-гидрогеологического районирования территории по комплексу априорно значимых признаков состояния ЭГГС и интенсивности техногенной нагрузки различного характера в пределах изученной части региона /диагностика в режиме классификации/.

2.2. Задачи предсказания реакции геосреды на техногенное воздействие, социальных его последствий: и типологическое районирование картируемой территории по ограниченному числу информативных признаков /диагностика в режиме распознавания образов/.

3. Оценка сложности диагностируемой ЭГГС целесообразна с позиции сопоставления возможностей моделирующих алгоритмов к решению диагностических задач:

— простые концептуальные модели ЭГГС эффективно диагностируются с помощью методов автоматических классификаций или неформальных методов /факторный анализ/;

— сложные концептуальные модели могут быть диагностированы или при неформальном подходе /с помощью факторного анализа/ или с помощью эвристических методов, позволяющих корректировать стратегию решения задачи.

4. Для решения задач эколого-гицрогеологического районирования разработана и адаптирована методика факторного анализа, которая позволяет помимо традиционных задач сжатия многомерной раз-ноуровенной эколого-гидрогеологической информации решать задачи ее картографирования в обобщенных показателях.

5. Для решения сложных диагностических задач предсказания реакции гидрогеологических систем на техногенное воздействие предлагается новый метод — информационный анализ, методика применения которого в эколого"гидрогеологических и@в<�я®д (c)ваннях впервы®иредлО' ж®на и разработана автором диссертации. Информационный анализ позволяет:

5.1. Диагностировать сложные ЭГГС реализацией на практике фундаментального закона кибернетики, закона необходимого разнообразия У.Эшби.

5.2. Сформулировать и реализовать требования, предъявляемые к информационным моделям: а/ для оценки и диагностирования сложных эколого-гидрогеоло-гических ситуаций должны разрабатываться модели, способные контролировать собственную сложность и сложность концептуальной модели ЭГГСб/ реализуемые модели должны обладать способностью к адаптации и самообучению, в случае дефицита информации, необходимой для диагностирования, запрашивать ее и усваиватьв/ процесс контроля за функционированием ЭГГС возможен с установлением ее кибернетической структуры, выделением лимитирующей подсистемы /фундаментальный принцип экологии к-.Либиха/ и оценки ее сложностиг/ управление ЭГГсистемой целесообразно осуществлять с помощью «активных параметров», поиск которых и схема управления осуществляются в процевее информационного анализа.

5.3. Выполнять картографирование территории ЭГГС на основе анализа ограниченного круга информативных показателей, обеспечивая сокращение затрат на проведение изысканий при сохранении уровня информативности эколого-гидрогеологических карт.

Алгоритм информационного анализа реализован автором работы в диагно (c)тирующей системе «Зкогеоинформ», аналитические возможности которой подтверждены в процессе решения серии практических задач.

Результаты исследований обсуждались на Всесоюзных совещаниях: по изучению взаимосвязи поверхностного и подземного стока /Валдай, 1973 г./} Проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов /Ленинград, ЛШ, 1975 г./- Новейшие методы исследования и моделирования процессов переноса подземных вод /Киев, КГУ, 1976 г./) Гигиенические аспекты опреснения воды /Ш Всесоюзное совещание, г. Шевечнко, 1988 г. Д на I Все союзном съезде инженеров геологов, гидрогеологов, геокриологов /Киев, 1988 г./. Теоретические и методологические аспекты работы рассматривались на республиканских совещаниях: по поиску и разведке линз пресных вод /Та-шауз, 1990 г./ Многоцелевые гидрогеохимические исследования в связи с поисками полезных ископаемых и охраной подземных вод Домск, 1993 г./. Результаты исследований прошли апробацию на международных конференциях: Методы оценки ресурсов подземных вод Д! осква, 1979/- 2-я конференция по геологии Индокитая Ланой, 1991/- Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря /С.-Петербург, 1993/. Отдельные методические вопросы обсуждались на ежегодных научных конференциях Московской государственной геологоразведочной академии и других совещаниях и конференциях.

В основу диссертации положены материалы, полученные автором в процессе работы начальником тематической партии, экспедиции, ответственным исполнителем и научным руководителем хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских тем, выполняемых на кафедре гидрогеологии МГГА в различных районах страны. В качестве дополнительных источников в работе использованы фондовые и литературные материалы, а также некоторые данные, полученные аспирантами, работавшими под руководством автора и результаты совместных научных исследований, проводимых автором работы в творческих научных коллективах кафедры гидрогеологии, совместно с институтом Общей коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина Минздрава РФ, сотрудниками Мин-геологии Туркменистана, Казахстана. Основные научные и практические результаты получены автором в процессе проведения кафедрой гидрогеологии МГГА хоздоговорных научно-исследовательских работ с Мангышлак ским энергокомбинатом, Прикаспийским горно-металлургическим комбинатом Минередмаша СССР, с 1жно-Аральской гидрогеологической экспедицией Мингеологии Туркменистана, отделом гидрогеологии и геоэкологии Роскомнедра России и др., а также в процессе проведения госбюджетных исследований по программе «Российские Университеты» /проект !' Эк о" /. Разработка самой методологии решения диагностических задач и практическая ее реализация в экогидрогеоло-гтеских исследованиях является личным достижением автора работы.

Диссертация соетоит из введения, 7 глав и заключения. В первой главе с системных позиций дано определение понятия экологогидрогеологическая система /ЭГГС/, рассмотрены системная терминология, применяемая при описании ЭГГС, их системные свойства, методические подходы к выделению границ ЭГГС и формированию их концептуальных моделей. Рассмотрена предлагаемая автзром схема трансформация природных ЭГГС в техногенные и соответствующие стадиям концептуальные модели их структуры и связей. Во второй главе изложены научно-методические основы эколого-гидрогеологического диагностирования, математическая постановка задач, выделены два типа задач и представлена общая методология их решения. Третья и четвертая главы посвящены методике использования классического факторного анализа применительно к решению диагностических задал первого типа, изложен опыт применения метода в стране и за рубежом и приведены примеры решения конкретных эколого-гидрогеологи-ческих задач. В пятой главе дан обзор эвристических методов, используемых при решении задач распознавания образов в геологии, инж®и@рноЙ геологии, гидрогеологии. Шестая глава является логическим продолжением пятой и содержит информацию о новом методе диагностирования, который назван автором работы — информационным анализом и рассматривается алгоритм и возможности созданной диагностирующей системы. Седьмая глава посвящена рассмотрению конкретных практических примеров использования информационного анализа для диагностирования эколого-гидрогеологических ситуаций в пределах Туркменской части Приаралья, одного из месторождений подземных вод в Западном Казахстане, северной части Московской области.

Автор длительное время /с 1971 г./ работает в тесном контакте е Лауреатом Государственной Премии СССР, профессором кафедры гидрогеологии МГГА И. К. Гавич и многие идеи настоящей работы родились и офорлились в результате совместных исследований, за что автор сердечно благодарен Ирине Константиновне. Автор благодарит также заведующего кафедрой гидрогеологии, Лауреата Государственной премии СССР, академика РАЕН, профессор В. М. Швеца за поддержку и помощь, оказанную при написании настоящей работы. В процессе исследований по теме диссертации автор плодотворно сотрудничал с коллегами по кафедре гидрогеологии МГГА: A.B. Вороновым, В. В" П®р-цовским, H.H. Ленченко, H.H. Муравьевой, К. С. Осмоловеким и др.- с кафедры высшей математики — A.B. Михайловойс кафедры общей геологии и геоморфологии — Н. И. Корчугановойс кафедры геоинформатики — проф. В. И. Пахомовыме кафедры охраны природыпроф. В. Н. Экзарьяном и др.- из НУЦ «Минералвные ресурсы» -Е.А. Кармановым. Им и всему коллективу кафедры гидрогеологии МГГА автор приносит свою глубокую благодарность.

За критику в обсуждении работы автор благодарит проф. В. М. Гольдберга /МГ14 РАЙ /, заведующего кафедрой инженерной геологии МГГА, проф. Е. М. Пашкина, проф. кафедры редких и радиоактивных элементов П. И. Игнатова, доц. кафедры гидрогеологии МГУ М. С. Орлова, начальника отдела гидрогеологии и геоэкологии Рос-комнедра — М. В. Кочеткова, сотрудников отдела М.й. Палнанова, Г. А. Шилова, В. А. Грабовникова, директора Геоцентра «Москва» -А.Н. Клюквина и сотрудников Геоцентра Н. С. Лачинову, С.Н. Шелесто-ва и др.

1. ЭКОЛОГО-ГВДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ, КАК ОБЪЕКТ.

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ.

Главным критерием принадлежности научных исследований к современной экологии являемся положение: считать экологическим любое исследование надорганизменного уровня, если оно имеет конечной целью осмыслить влияние исследуемого явления на экосистемы [l6e] • В условиях интенсивного техногенного влияния следует также включать в сферу экологических все исследования, которые направлены на изучение обратной связи, возникающей в системе экосистемам человек, определяющей условия его жизнедеятельности и здоровья. В такой постановке концепция экосистемы остается основой конструкции экологической парадигмы. А. Тенсли определил экосистему, как целостное образование, включающее не только организмы, но и весь комплекс физических факторов местообитания в самом широком смысле [205] • Другими словами, экосистема представляет собой целостную совокупность абиотической /биотоп/ и биотической /биоценоз/ компонент. При этом понятие целостность в данном случае означает, что биоценоз /сообщество организмов/ не является самостоятельной системой и должен рассматриваться только во взаимодействии с косными компонентами. Активное использование в экологических исследованиях системного подхода вывело экологию за рамки популяциоиного /чисто биологического/ подхода и заставило существенно расширить границы экосистем. В настоящее время основной объект исследований эншогии — экосистема рассматривается как устойчивый комплекс популяций растений, животных и микроорганизмов и населяемой ими территории или акватории, включая прилегающий слой атмосферы, а также /в случае наземных или донных экосистем/ подстилающий почву грунт и грунтовые воды, если они активно взаимодействуют с почвой, водной массой или с организмами [l66j. В такой постановке грунтовые воды становятся компонентом экосистемы и гидрогеологические процессы в значительной степени определяют условия существования экосистем и их влияние на жизнедеятельность социальных систем /человека/. В этой связи следует напомнить, что А. Тэнсли экосистемами называл только системы одного уровня иерархии" лежащего между нижним /популяции растений, животных и микроорганизмов, почвы, типы грунтовых вод и др./ и верхним /ландшафты/ уровнями.. Таким образом экосистемы «собираются» из элементов 3-го уровня /см. рис. 1 / и сами входят в конструкцию 1-го. В такой трактовке ландшафты представляют собой «.комплексы геоморфологических сопряженных экосистем» / [l66] с.29/. Значение, роль подземных вод и их вклад в систему факторов, формирующих ландшафты, среду обитания растений" животных и в итоге человека, в первую очередь подчеркивается характером их горизонтальной /широтной/ зональности /по B.C. Ильину, Г. Н. Каменскому, O.K. Ланге и др./, которая определяется климатом, зависит от рельефа местности и региональных геологических условий" т. е. от тех же факторов, которые влияют на элементы 1-го, 2-го и 3-го уровней иерархии /см.рис.1/. Этот вывод наглядно иллюстрируется рис. 2 и экогидрогеология имеет равные права на существование наравне с популяционной экологией, экологией почв и др., входящими в ее состав соответствующими разделами.

В основу выделения границ экосистем положены два принципа: автономности и однородности. Первый гласит, что элементарные фрагменты экосферы должны обладать относительной устойчивостью и автономностью, способностью к самоподдрежанию и отправлению основных жизненных процессив. Второй принцип подчеркивает невозможность присоединения соседних фрагментов или их частей без на.

Уровни иерархии.

ЭКОСИСТЕМА. I.

ЭКОСИСТЕМА г.

ЭКОСИСТЕМА. п п.

ПОЛУ. РА< попшда шютшх почвы.

ГРУНТОВЫЕ вода ш.

Рис. I. Иерархия компонентов геоэкосистемы.

Рис. 2. Место подземных вод в природных геоэкосистемах ш «•• рушения качества однородности выделяемого фрагмента [15−7]. На практике широко используется второй принцип. Первым его ввел А. Тэнсли [3,203] и использовал для выделения границ экосистем степень однородности растительного покрова. Аналогичной точки зрения придерживался В. Н. Сужачев, выделяя фитоценозы /растительные сообщества/. Уточняя вопрос о пространственной выраженности биогеоценозов Н.В. Тимофеев~РесоЕекйй [157] определял их, как «.участок биогеоцинотической оболочки Земли /территории как акватории/, через который не проходит ни одна установимая биогео-ценотическая, микроклиматическая, гидрологическая, почвенная, геоформофологическая и геохимическая границы'1 «В качестве критерия для выделения элементарного ландшафта /экосистемы/ А. М. Перельманом [14о] был предложен принцип отсутствия в его пределах внутренних причин, ограничивающих его размеры. Следует сказать, что аналогичные принципы однородности используются и при гидрогеологическом ^67» 68^ и инженерно-геологическом 3картографировании. Следует подчеркнуть, что перечисленные принципы позволяют разграничить экосистемы по площади. На практике верхняя граница экосферы проводится на высоте не более 30 м над поверхностью растительного покрова на суше или над уровнем океана, а нижняя в наземных условиях определяется глубиной залегания первого водоупорного горизонта, удерживающего грунтовые воды ?2, 157] • Временные критерии существования экосистем более размыты и не вполне определены. На практике их связывают с процессами трансформации экосистем на различных стадиях их развития? от зарождения, через развитие, стагнацию и климакс до деградации и полной гибели.

Подземные воды таким образом входят в состав элементарных экосистем /см.рис. 2/ и в свою очередь с позиций системного подхода должны рассматриваться во взаимосвязи с напорными как самостоятельные эколого-гидрогеологические системы /ЭГГС/. Закономерность их выделения в качестве самостоятельных систем определяется идеологией самого системного подхода, одной из парадигм которого является идея иерархической конструкции живой и неживой природы. При таком подходе изучение ландшафтов не может производиться без изучения экосистем /элементарных ландшафтов/, учета их взаимодействия и влияния на них внешних факторов. С другой стороны поведение системы определяется, прежде всего, закономерностями взаимодействия ее внутренних подсистем, элементов. Таким образом, внутренние компоненты экосистемы приобретают самостоятельное значение и должны рассматриваться как системы с включением в их состав всех необходимых элементов п©принципу релевантности. При этом, в качестве цели изучения /моделирования/ таких систем должна рассматриваться связь: 1/ гидрогеологические условияу" — 2/ экосистемыг*" з/ ландшафты техногенные компоненты. Второй и третий компоненты указанной цепочки могут быть заданы в моделях в виде обобщенных показателей. В качестве функции цели могут выступать также комплексные показатели, характеризующие экологическое состояние региона на основе санитарно-гигиенических, социально-экономических и др. характеристик. При этом степень «экологичнссти» моделей может повышаться с включением в их состав показателей, характеризующих популяции животных, растений, почвы, локальные участки атмосферы и др., что может быть достигнуто в процессе совместных междисциплинарных исследований специалистов экологического, биологического, географического и гидрогеологического профилей. Вопрос обоснования границ Э1ТС требует отдельного обсуждения, поскольку принципы выделения однородных объектов в гидрогеологии и экологии различны. О них мы поговорим в разделе 1.3.

Особую роль эколого-гидрогеологические исследования приобрели на современном этапе активного техногенного' влияния на гид*ролитосферу. В таких условиях в пределах любой природной системы /от экогидрогеологической до ландшафтной/ происходит изменение тесюты связей мевду элементами, перекомбинации элементов и связей замещение одних элементов другими, разрушение природного ядра и замена его антропогенной подсистемой, выполняющей роль управляющей с социально-экономическими целями. При атом важным является то, что искусственно-приданные природной системе цели не совпадают с программой гомеостаза, заложенной в ее структуру и дальнейшая эксплуатация системы приводит к ее деградации. Схема трансформации абстрактной природной системы /по A.B. Кожаринову, 1990 [ 80J /, приведена на рис. 3. Первый этап представлен стадиями с 1-ой по 4-ю и характеризуется, как этап структурных преобразований природной системы, при сохранений природного системообразующего ядра. На этом этапе изменение типа структуры природной системы не затрагивает природной сущности системообразующего ядра и экосистема может сохранять состояние развития — эволюции /вклад техногенной компоненты незначителен/. Второй этап включает стадии с 5 по 7 и характеризуется процессами возникновения, преобразования и распада систем природно-техногенного класса. Именно на этих стадиях начинается процесс загрязнения природной среды. Природно-техногенные системы более уязвимы и менее способны противостоять внешнему воздействию" чем природные, но гомеостатичес-кий механизм сохраняется и служит регулятором процесса трансформации.

Дальнейшее увеличение интенсивности техногенного воздействия, и в особенности увеличение числа его элементов /разнообразия/ вводит природную систему в третий этап развития /стадия 8/, который характеризуется формированием антропогенного ядра сложного типа и возникает фактически антропогенная структура, где обратная связь привносится и поддерживается человеком и на основе ее осуществляется управление. В таких системах гомеостатический ме.

ПРОЦЕССЫ.

Ю1АССЫ.

ПРОЦЕССЫ.

СТАДИИ.

Организация.

Природные.

— Организация.

Трансформа" - ция.

— Уменьшение тесноты связей между элементами /1/.

Увеличение числа существен-¦ных связей" элементов /2/ ация элементов и.

— Деградация.

Трансформация.

Природ"-но-ант~ ропоген-ные.

Организация.

Тран-оФорма*.

Деградация.

Антропогенные цияДеградация.

— ДеградацияОрганизация.

Трансформа"*" ция Деградация.

— Замещение одних элементов другими при сохранении природного системообразующего ядра и функции /4/.

Сохранение природного ядра и образование антропогенного ядра простого типа и множества функций /5/.

Перекомбинация антропогенных и природных элементов и связей с изменением це*> левых функций /6/.

Разрушение природного ядра при сохранении антропогенного ядра простого типа /7/.

Увеличение числа антропоген-" ных элементов, их пёрекомбинация и организация антропогенного ядра с блоком управления с социально-экономической функцией /8/.

— ЭксплуатацияЛиквидация.

Рис, 3. Стадии развития природных систем под воздействием антропогенного влияния /по A.B. Кожаринову [ 80] / ханизм отсутствует и его функции выполняет человек.

Главная особенность Э1ТС заключена в их генетической сущности и находит отражение в морфологии, в функциональных особенностях и, в конечном итоге, в информационных характеристиках. Э1ТС рождаются в области пересечения и взаимодействия геологических, гидроге ологических, экологических, ландшафтно-климатических и техногенных систем. Аккумулируя элементы и свойства исходных систем, ЭГГС, с одной стороны, усложняются" а с другой приобретают облик кибернетических, поскольку «порождают1* в своей структуре управляющую подсистему, генерирующую обратную /отрицательную/ связь. Таковой в перечисленном выше ряду является техногенная система, реализующая цели социальных систем через техногенные объекты.

1.1. Определение понятия «эколого-гидрогеологическая система» .

В настоящей работы мы не ставили целью проанализировать все существующие определения понятия «система», поэтому ниже выделены лишь те, которые могут быть использованы для характеристики гидрогеологических и эколого-гидрогеологических объектов, рассматриваемых в качестве материальных или идеальных систем.

Основоположник общей теории систем I. Бертоланфи [10, 188] определил систему, как «. комплекс взаимодействующих элементов или как совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой». Такое определение является, по нашему мнению, наиболее общим и поэтому не содержит таких понятий, как структура, связь, отношение, цель и др., которые проявляются в работах указанных ниже авторов. Неполнота определения Л. Бертоланфи — кажущаяся, поскольку само фундаментальное определение понятия «система» эволюционирует в зависимости от конечной цели реализации системного подхода и сопоставляется с уровнем описания изучаемого объекта. С точки зрения гносеологии теорию систем можно рассматривать как логического средство описания реальных объектов в их многоаспектности и противоречивости. Системный подход преодолевает ограничения теоретико-множественного /комплексного/ подхода за счет отказа от отождествления реального объекта с множеством его элементов, а восприятие его, как единого целого. В связи с этой концепцией Ю. А. Шрейдеру наиболее реальным представляется. понимание системы как целостности, определяемой некоторой организующей общностью этого целого" [181]. Некоторые исследователи склонны детализировать определение системы. Так, в работе А. И. Уемова [163] в определение вводятся понятия свойства, характеризующие элементы системы и отношения между ними. Ю.А. Ур-манцев [16А] вводит в определение системы отношения между элементами и законы композиции. В определении, приведенном в БСЭ и советском энциклопедическом словаре [ 154] система трактуется, как «•.целое, составленной из частей, множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих определенную целостность, единство». Таким образом, в определение вводится понятие цели, целостности. Аналогичный подход содержится в определениях В. Н. Садовского [151]: «Наличие связей и отношений мевду мн, элементами системы и порождаемые мш тегративные, целостные свойства системы обеспечивают относительно самостоятельное обособленное существование, функционирование /а в некоторых случаях и развитие/ системы» .

Аналогичный подход, неразрывно связывающий понятие «система» и «целостность» содержится в работах В. Н. Афанасьева [ э], И.В.Бла-уберга" Э. Г. Юдина, В. В. Дружинина, Д.С. Конторова[55, 56], Ф. И. Перегудова, Тарасенко В. П. [138^ и ряда других исследователей. У. Р. Эшби впервые указал на необходимость учета взаимодействия меаду исследователем и изучаемой системой Г184 1. Анализируя эволюцию определения «система», можно отметить, что оно происходит по направлению от идеальных., философских конструкций к материальным" включающим в себя в качестве элемента управляющую: подсистему" Здесь отсутствует какое-либо противоречие" поскольку в процессе реализаций любой идеи" на различных этапах объект рассмотрения может быть представлен в виде различных систем: от идеальных /методологическая, шучно-познавательная, НИР, ОКР, проект и др./ до материальных /построенный объект/. И на различных уровнях описания изучаемой системы системный подход должен «предложить» соответствующее определение понятия «система». В известной автору литературе [9, ТО, 22, 55 и др.], на первых этапах еле, дует определить место системы в кругу окружающих ее систем, отделить ее от внешней среды границами. Далее мож** следовать конструирование модели по принципу вииеровского «черного ящика», за®ем в определение могут быть включены понятия, характеризующие взаимодействие системы с внешней средой, целостности, управления и др.

В [22] приведены примеры записи в символической форме обобщающих определений системы, которые иллюстрируют усложнение ситуации по мере перехода от простых /линейных/ к сложным кибернетическим и биосистемам.

1. Система есть нечто целое.

Б-н/1,о/ /1/.

Определение выражает факт существования и целостность. Двоичное суждение Н /1,0/ отражает наличие или отсутствие этих качеств.

2. Система есть организованное множество.

5 / ОРГ, М/ /2/ где: М — множество, ОРГ — оператор организации.

3, Система есть множество элементов, свойств, отношений s-СМД /3/ где: 7YI элементы" 71 — связи, Z отношения.

4. Система есть множество элементов, образующих структуру и обеспечивающих определенное поведение в условиях окружающей среды.

S = (.

5. Система есть множество входов, множество выходов, множество состояний, характеризуемых функцией переходов и функцией выходов.

S = (х, /5/ где: X — входы, Q — выходы, S *• состояния, § - функция переходов, X функция выходов.

6. Это шестичленное определение, характеризующее систолу, как зависящую от генетического начала GN, условий существования К®-, обменных явлений МБ, развития? V «функционирования.

FQ и воспроизведения /репродукции/ RP $*(W, KQ. Nb?V, FC, RP) /6/.

7. Это определение оперирует понятиями модели F, связи пересчета Я, самообучения FL % самоорганизации FQ, проводимости связей СО и возбуждения моделей 7V s= (F, SC, R, rL, ra, CO, M) п/.

8. Для ряда систем целесообразно включать в определение такие компоненты, как цели и планы Р1, ресурсы внешние РО * ресурсы внутренние * исполнителей £Х, процесс Р12, помехи07″, контроль вУ «управление к?©-, эффект ЕР.

5/8/.

Приведенный ряд определений можно продолжить или составлять другие комбинации их символических операторов" входящих в формулы /4−8/. Следует подчеркнуть, что определение с 1 по 4 в первом приближении характеризуют неживые /естественные и иссусственные системы/, а 5−8 могут быть привлечены для описания кибернетических /5-е и 7-е/, биологических /6-е/ или общественно-социальных систем.

Для общей характеристики ЭГГС может быть использовано принятое в экологии определение [ 166 ]: системой) функционирующей в окружающей среде Р ({) = ^51), ., ({)] называют объект.

9/ образованный элементами /подсистемами/ множества которые связаны между собой и окружающей средой определенными связями /отношениями/. Совокупность связей образует структуру 21 (?)^{<э1({)>.. .Состав и структура? изменяются во времени в соответствий с функцией. В идеальной трактовке системный подход к изучению ЭГГС заключается: 1/ в определении составляющих ее подсистем ОС,. .. я ОС п. и взаимодействующих с ними объектов окружающей среды 5Ь.. — 2/ в установлении структуры ЭГГС и совокупности внутренний связей б^^. ., (5^, также связей между системой и окружающей средой- 3/ в нахождении закона функциони" рования ЭГГС —, в целях решения прогнозных и диагностических задач. Ни один из 3-х перечисленных пунктов не может быть до конца формализован, что с одной стороны является недостатком, а с другой стороны придает исследованиям динамичный характер, позволяет осуществлять гибкую стратегию.

Анализируя приведенную выше неоднородную информацию, можно придти к выводу об утилитарности понятия «система», используемого в практической деятельности.

В своих работах [99,10С^ мы на примере гидрогеохимических систем подчеркивали, что при выделении системы в конкретных гидрогеологических условиях следует ориентироваться на уровень, на котором она будет описана, который в свою очередь зависит от целей системных исследований, а иногда решаемая задача требует описания системна на нескольких уровнях.

Понятие «©-истема» должно быть сформулировано применительно к решению конкретной задачи, поскольку на нем /определении/ в конечном итоге етроится методология ее моделирования. Оно должно содержать информацию о составе, конструкции, связях и цели системы, Суммируя вышеизложенное, мы предлагаем определить ЭГГС, как &т1?рыт2южнамическу1 систему-, пдедс тавлякш$ 7Ю собой целостную? рвоцупностьгид]эоге (c)логических /ГГС/, ландшафтно-климатических /ЛКС/ и техногенных /ТГС/ подсистем, объединенных определенными взаимоотношениями и связями, находщщихсявсостояниивзаимодейст-1ия и на определенной^^адии трансформации. Это определение опирается на сформулированное ранее И.К. Гaвич[28,29J определение гидрогеологической системы и несет информацию о составе и структуре ЭГГС, поскольку целостность совокупности ее элементов подразумевает иерархичность их композиции, а целевая установка определяется стадией /этапом/ ее развития /см.ри'с. 3/. Если на первых двух этапах целью ЭГГС является поддержание условий гомеостаза, то на третьем цель определяется экономико-социальной системой в процессе управления. Экономико-социальную системы мы выносим за рамки изучаемой системы, т.к. ее цели в пределах ЭГГС реализуются черев техногенные подсистемы /ТГС/ и таким образом она выполняет управляющую роль, которая существенно меняется на разных стадиях развития ЭГГС. Взаимодействие с экосистемами в предлагаемой схеме реализуется неявно, поскольку они косвенно учитываются в обобщенных показателях, характеризующих ЖС. Но при дальнейших исследованиях и их комплексировании с экологическими1 и биологическими возможна, как подчеркнуто выше, дальнейшая экологизация как самого определения, так и конструируемых на его базе моделей.

Введенное определения служит основой для построения концептуальных моделей, которые мы в дальнейшем используем при решении диагностических залач различного типа /см.разделы 4 и 7/. Влияние техногенных процессов итрансфомированных под их воздействием гидрогеологических условий на социальные системы /в первую очередьздоровье человека/ реализуется в виде обратной связи, возникающей между ЭГГС и социальной системой и учитывается вводом в модель обобщенного показателя «Экологическое состояние региона». В таком подходе заключена суть отличия авторского определения ЭГГС от принятыхс и используемых в практике геологических и гидрогеологических исследований понятий: геотехническая системы /ГТС/, природно-техничес-кая система /ПТС/ и др. [ 42,131,154,162 ] .

По В. И. Осипову [l3l] «.производственно-техническая системаэто ассоциация природных и техногенных элементов, функционирующих, как единое цело». Принятое в географии понятие геотехническая система включает «.в себя одновременно /в качестве подсистем/ элементы природы, а также различные технические объекты» [154 J. Принятие нами определение ЭГГС, с одной стороны, конкретизирует структуру ее концептуальной модели, а с другой позволяет учесть влияние гидрогеологических процессов на социальные системы, под которыми мы понимаем человеческое общество* тогда как в некоторых работах ПТС и социальные системы отождествляштся [б4] .

— ЗС4 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертации разработаны и получили подтверждение при решении конкретных эколого-гидрогеологических примеров научно-методические основы диагностирования эколого-гидрогеологических систем, представляющие собой единую методологию решения: I/ задач типологического эколого-гидрогеологического районирования территории по комплексу априорно значимых показателей ее состояния и интенсивное^ ти техногенной нагрузки различного характера- 2/ задач предсказания реакции состояния геосреды" социальных последствий интенсивной техногенной нагрузки и картографирования эколого-гидрогеологических условий на основе анализа ограниченного круга информативных показателей.

В основе авторских построений лежит системный подход, позволяющий рассматривать объект исследований, как целостное образование, включающее в себя ряд компонент, объединенных комплексом прямых и обратных связей и взаимодействующих с внешней средой, как единое целое. В качестве объекта исследований рассматривается эко-лого-гидрогеологическая система (ЭГГС), представляющая собой целостную совокупность гидрогеологических (ГГС), ландшафтно-климати-ческих /ЛКС/ и техногенных /ТГС/ подсистем, объединенных определенными взаимоотношениями и связями, находящимися в состоянии взаимодействия и на определенной стадии развития. Реакцию ЭГГС на техногенные воздействие предлагается оценивать на основе анализа процесса вдияния каждой из подсистем модели /или комплексного их влияния/ на состояние здоровья населения.

В процессе рассмотрения ЭГГС с системных позиций автором разработана терминологическая база, которая явилась основой для описания структуры, связей, условий функционирования ЭГГС, для построения их концептуальных моделейрассмотрены основные особенности строения и функционирования ЭГГС, основные принципы и задачи их изучения и моделирования.

1.В качестве элементарной ЭГГС рассматривается речной гидроли-тосферный бассейн /РГЛБ/ 1-го порядка, выделенный как элементарный объем гидролитосферы, в пределах которого локализуются гидродинамические процессы, обеспечивающие локализацию гидрогеохимических и эколого-гидрогеологических процессов.

2. Порядок и границы ЭГГС определяются на основе принципа однородности геоморфологических и эколого-гидрогеологических условий. Основой для выделения ЭГГС является объективный закон дискретно-иерархического строения гидролитосферы, проявляющейся в закономерном иерархически-разветвленном строении речных долин и в однотипном соотношении числа потоков, последовательно понижающихся порядков в пределах речного водосбора.

3. ЭГГС представляет собой природно-техногенные системы различного уровня сложности, который определяетсяа/ стадией трансформации, на которой находится системаб/ характером концептуальной модели, созданной экспертом для описания состояния ЭГГС.

4. Процесс трансформации ЭГГС идет в направлении ее превращения из природной в техногенную /кибернетическую/ с постепенной заменой природных элементов и гомеостатических связей на техногенные элементы и обратные кибернетические связи. Задачей моделирования ЭГГС в таких условиях является определение ее структуры, поиск управляющей подсистемы и «активных параметров», с помощью которых представляется возможным управлять состоянием ЭГГС.

5. В гидрогеологических исследованиях выделяются класс диагностических задач, который включает в себяа/ задачи типологического районирования территории ЭГГС по комплексу априорно-значимых признаков и интенсивности техногенной нагрузкиб/ задачи предсказания реакции геосреды на техногенную нагрузку определенных характера и интенсивности, эколого-гидрогеологического картографирования.

Результаты решения диагностических задач являются методологической основой для создания сети мониторинга подземных вод и ведения режимных наблюдений.

6. Для решения задач типологического эколого-гидрогеологическо-го районирования предлагается использовать факторное моделирование, позволяющее: а/ редуцировать пространство показателей состояния ЭГГСб/ выделить главные системообразующие факторы, которые контролируют состояние и поведение ЭГГСв/ генерировать в процессе создания концептуальной схемы ЭГГС серию факторных моделей, позволяющих установить взаимосвязь техногенных и гидрогеологических процессовг/ выполнить районирование территории ЭГГС в интегральных показателях.

Предложена методика комплексирования показателей разноуровенной эколого-гидрогеологической информации для построения факторных моделей различного уровня сложности, картографирования ситуации в интегральных показателях и неформального подхода к анализу результатов моделирования.

7. Факторное моделирование эколого-гидрогеологических условий Куюлусского месторождения подземных вод в Западном Казахстане и Ташаузского региона Туркменистана позволило построить серию диагностических карт и:

— оценить общие условия формирования химического состава подземных вод, установить условия и участки их загрязнения, скорректировать методику ведения мониторинга качества подземных вод;

— оценить шяияние условий латеральнщ* фильтрации и процессов влагопереноса в зоне аэрации на условия загрязнения подземных вод хоз яйственно-питьевого назначения;

— установить существование специфической эколого-гидрогеологической зональности /вертикальной и латеральной/ и установить фак* торы, определяющие ее формирование!

— выполнить районирование территории по характеру и интенсивности техногенной нагрузки;

— оценить характер реакции природной среды на техногенную нагрузку в различных гидрогеологических условиях.

Полученные в процессе решения диагностической задачи результаты являются базой для создания сети мониторинга подземных вод в Ташаузском регионе.

8. Авторская концепция разработки диагностических моделей для решения сложных диагностических задач предсказания реакции геосреды на техногенную нагрузку и картографирования, базируется на следующих принципах:

— для оценки и диагностирования сложных эколого-гидрогеологи-ческих ситуаций используются модели, способные контролировать сложность концептуальной модели и содственную сложность реального моделируемого объекта /эвристические модели/;

— реализуемые модели должны обладать способностью к адаптации, самообучению и, в случае дефицита информации, необходимой для повышения сложности модели /в соответствии с принципом У. Эшби/, запрашивать ее и автоматически «усваивать» ;

— процесс контроля за функционированием ЭГГС возможен с установлением ее кибернетической структуры, выделением управляющей /лимитирующей по Ю. Либиху/ подсистемы в ее пределах, оценки ее сложности;

— управление состоянием ЭГГС целесообразно осуществлять посредством «активных параметров» лимитирующей подсистемы?

— для диагностирования сложных ЭГГС предлагается использовать эвристический подход, базирующийся на информационном анализе, впервые внедренном автором в практику гидрогеологического исследования;

— в качестве главного принципа информационного моделирования сложных ЭГГС целесообразно использовать кибернетический принцип Эшби: моделирующая система должна быть не менее сложной, чем моде^ лируемая. В качестве оценки меры сложности применяется информационная энтропия.

9. Разработанная в процессе исследований диагностическая система «Экогеоинформ» позволяет;

— оценивать информативность признаков, характеризующих ЭГГС по отношению друг к другу и по отношению к интегральному признаку;

— выделять признаки, обладающие максимальной информативностью;

— формировать эталон эколого-гидрогеологической ситуации на базе сложных /комплексных/ признаков, близких по информативности к информативности концептуальной модели объекта и выделять «активные параметры» ;

— обучать созданную информационную модель до заданного порога эффективности;

— решать задаичи предсказания реакции геосреды на техногенное воздействие и картографирования эколого-гидрогеологических условий.

10. В качестве реакции ЭГГС на техногенное воздействие предлагается использовать показатель санитарно-гигиенического состояния региона Сг, характеризующий уровень младенческой смертности. Выполненное диагностирование показателя Сг для Ташаузского региона Туркменистана позволило придти к следующим выводам:

— эффективность решения диагностических задач зависит от способа обучения исходной информационной модели и может быть существенно повышена в процессе диагностирования;

— надежность полученных результатов повышается при комплекси-ровании информационного анализа с факторным;

— в качестве «активных параметров», влияющих на экологическое состояние в пределах изучаемой ЭГГС, могут рассматриваться характеристики техногенного ландшафта, показателя ядохимикатного загрязнения и гидродинамические характеристики фильтрационного потока;

— управление экологическим состоянием региона возможно осуществлять регулированием «активных параметров», которое на практике реализуется в процессе изменения структуры агромелиоративных и агрохимических показателей и интенсивности техногенной нагрузки.

II. Использование диагностической системы для интерпретации результатов съемочных эколого-гидрогеологических работ и картографирования показало:

— возможность существенного сокращения объема изыскательских работ без потери информативйости результирующих эколого-гидрогеологических карт и необходимость корректировки методики специализированных исследований;

— возможность создания единой системы эколого-гидрогеологичес-кого картографирования, включающей использование диагностирующей системы «Экогеоинформ», обучающейся по результатам проведенных изысканий и выдающей рекомендации по составу и методике исследований в пределах картируемых съемочных листов.

Возможность ориентации диагностирующей системы при определенных конструктивных доработках /создание блоков «Самообучение» и «Рекомендации по управлению» для работы в режиме экспертной системы.

С последним пунктом мы связываем дальнейшую перспективу использования информационного анализа в гидрогеологических исследованиях.