Совершенствование методики оценки загрязнения почв горнопромышленного региона тяжелыми металлами

Актуальность работы. Решение экологических проблем сегодня становится приоритетным для обеспечения устойчивого развития промышленных территорий. Особенно это касается горнопромышленных регионов, где угледобывающим предприятиям и обслуживающим их производствам принадлежит первое место, прежде всего по твердым отходам. Региональные экологические проблемы таких территорий обусловлены тем, что на сравнительно небольшой площади сконцентрировано большое число промышленных предприятий, где предприятиям горной промышленности и обслуживающим их производствам принадлежит первое место, прежде всего по твердым отходам. Современные масштабы ландшафтных и экологических изменений природной среды в горнопромышленных районах связаны с преобладанием открытого способа добычи полезных ископаемых. Ежегодно из извлекаемых горных масс около 2/3 объема идут в отходы в виде отвалов и хвостохранилищ обогатительных фабрик, большая часть которых в последующем не используется.

В результате происходит локальное, региональное и глобальное загрязнение биосферы химическими элементами и образование техногенных аномалий, в которых содержание загрязняющих веществ в десятки и сотни раз превышает допустимые значения. В конечном итоге нарушаются глобальные биогеохимические циклы элементов (углерода, азота, серы и пр.), основные глобальные механизмы обмена веществом и энергией, а также усиливается влияние антропогенных факторов на биоту и население.

По выбросам вредных веществ в расчете на 1 км² территории Тульская область превосходит Московскую в 1,7 раза, а Калужскую и Орловскуюболее чем в 10 раз. Поскольку удельный вес Тульской области в добыче полезных ископаемых в пределах Подмосковного бассейна составлял 80%, значительная часть территории области до сих пор подвержена мощнейшему техногенному воздействию отходов угледобывающего производства.

Размещение твердых отходов в отвалах и хвостохранилищах на поверхности крайне негативно влияет на состояние окружающей среды региона. Мощность техногенных образований, складированных в терриконы на территории Тульской области, достигает 20 и более метров.

Особую озабоченность вызывает загрязнение почв горнопромышленных регионов тяжелыми металлами, так как концентрации многих из них превышают предельно допустимые значения. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами определяется характером современного промышленного производства, добычей полезных ископаемых, возрастанием транспортной нагрузки. Широкое распространение в биосфере и химические особенности способствовали отнесению тяжелых металлов в группу приоритетных загрязнителей. Они сравнительно быстро накапливаются в почвах городов и крайне медленно из них выводятся. В настоящее время некоторые из них обязательны для контроля при осуществлении мониторинга состояния окружающей среды. Среди них свинец, цинк, марганец и его соединения, окись алюминия, никель, хром, медь и др.

Перспективное развитие топливно-энергетического комплекса Тульской области с 2007 года предполагает разработку месторождений бурого угля в объеме 4−5 млн тонн в год. Поэтому необходимо совершенствовать природоохранные принципы управления жизнеобеспечивающими ресурсами региона и научно-методические основы информационной поддержки принятия решений по экологической безопасности хозяйственных проектов при реабилитации существующих «аномальных» антропогенных комплексов, возникающих в ходе разработок полезных ископаемых.

В такой ситуации исследования должны быть направлены на изучение закономерностей распределения загрязнителей по территории, а также на изучение и анализ механизмов устойчивости экосистем и их биотических компонентов к воздействию техногенных потоков загрязняющих веществ.

Необходимым элементом таких исследований является процедура моделирования, обеспечивающая поиск скрытых закономерностей в структуре геоэкологической информации как комплексе геохимических, ландшафтных, кадастровых и демопопуляционных данных.

Особенность анализа геохимических данных заключается в сложности учета всех факторов, влияющих на формирование полей загрязнения, и сбора территориально распределенной информации. Кроме того, классификация объектов исследуемой геосистемы может не совсем точно отражать существующую в проблемной области естественную кластерную структуру объектов, что создает дополнительные трудности в процессе построения модели геосистемы. В настоящее время не существует унифицированных программно-технических средств для специализированного геоэкологического анализа. Проблема заключается в отсутствии единой парадигмы построения теоретически обоснованных и хорошо согласующихся с реальными данными вычислительных моделей. В связи с этим специализированные методики и реализующие их программные средства, решающие узкие задачи, остаются в дальнейшем не востребованными.

Актуальность поставленной научной задачи определяется необходимостью объективной оценки и оперативной инвентаризации загрязнения почв горнопромышленных регионов в единой территориальной справочно-аналитической информационной системе мониторинга для управления геоэкологической ситуацией на различном уровне.

Целью работы является совершенствование методики оценки загрязнения почвенного покрова в зоне деятельности горнопромышленных предприятий на основе современных методов математического моделирования с применением геоинформационных технологий (ГИС).

Идея работы заключается в использовании аппарата нейронных сетей для моделирования пространственной неоднородности загрязнения почвенного покрова горнопромышленных регионов в геоинформационной оболочке с применением принципа дискретного зонирования территории.

Основные научные положен ия, защищаемые автором: пространственная неоднородность геоэкологической картины загрязнения почв тяжелыми металлами горнопромышленных районов эффективно поддается комплексному анализу в геоинформационной оболочке на основе трехмерных моделей и структурных картпринцип дискретного зонирования исследуемой территории на основе пространственной дискретной сетки эффективен, когда количество существующих территориальных кластеров, в пределах которых наблюдается определенная специфическая картина формирования однородных полей загрязнения, превышает пространственную дискретность точек наблюдений. анализ геоэкологической информации почв техногенного статуса в зоне деятельности угледобывающих предприятий представляет собой задачу восстановления пропусков в таблице экспериментальных данных и соответствующем пространственном слое геоинформационной системырегрессионные модели распределения загрязнителей, созданные методами нейросетевого моделирования, обеспечивают достоверный прогноз на основе неполной и разномасштабной экспериментальной информации, реализуя при этом единый методический подход для решения задач классификации и прогнозирования содержания тяжелых металлов в почве.

Новизна основных научных результатов: обоснованы принципы построения пространственной базы данных мониторинга загрязнения почвенного покрова техногенного статуса и предложен комплекс программных средств, обеспечивающий эффективную обработку и анализ геохимических данных в геоинформационной оболочкеполучены базовые уравнения регрессии пространственного распределения тяжелых металлов (марганца и цинка) для построения слоя загрязнения почвенного покрова по всей территории г. Тулы. предложены адаптированные нейросетевые математические модели для комплексного анализа загрязнения почв горнопромышленного региона тяжелыми металлами, инвариантные к смене шкал измерений и/' обеспечивающие более точный прогноз по сравнению с методами многомерного статистического анализа.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректной постановкой задач исследованияобоснованным использованием различных математических методов и современных достижений в области программного обеспеченияудовлетворительной сходимостью результатов расчетов полученных моделей с имеющимися экспериментальными даннымирепрезентативным объемом данных почвенного мониторинга.

Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации могут быть использованы при разработке территориальной справочно-аналитической системы оценки загрязнения почвенного покрова угледобывающих регионов.

Разработанная структура геоинформационной аналитической системы мониторинга загрязнения почвенного покрова «ЭкоГИС» представляет собой прототип системы комплексной обработки геоэкологической информации, наиболее важным отличием которого является возможность конструирования экспертной системы самим специалистом-прикладником.

Предложенные нейросетевые модели реализуют единый подход к решению задач классификации и геоэкологического прогнозирования, являются принципиально расширяемыми и предполагают дальнейшее увеличение независимых признаков в исходном пространстве (климатических, демопопуляционных показателей и т. д.).

Разработанные авторские макеты карт загрязнения почвенного покрова г. Тулы марганцем и цинком, трехмерная модель исследуемой территории и ЗБ-паттерны распределения загрязнителей могут использоваться для построения интегральных карт структуры антропогенного загрязнения с целью выявления причинно-следственных связей между загрязнением различных компонентов природной среды в ходе разработок месторождений бурого угля.

Апробация работы. Научные положения и практические результаты диссертационной работы в целом и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры, ежегодных научно-практических конференциях Тульского государственного университета, 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г.Тула, 2004 г.), 2-й и 3-й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (г.Тула, 2005 — 2006 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложенияизложена на 141 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 40 иллюстраций, список литературы из 91 наименования.

Основные выводы, научные и практические результаты работы сводятся к следующему:

1. Установлены пространственно-временные закономерности техногенного воздействия в зоне деятельности угледобывающих предприятий (на примере г. Тулы).

2. Создана пространственная база геоэкологических данных на основе разработанного прототипа системы «ЭкоГИС». Существенно дополнены возможности как банка данных, так и средств обработки информации. Для численной реализации математических моделей в ГИС разработан комплекс программных средств при помощи прикладного пакета MapBasic 6.5, а также библиотека интеграции расчетных модулей на Visual Basic 6.0.

3. Выявлено влияние ключевых факторов (рельефа местности, ландшафтных и климатических показателей) на формирование полей загрязнения почвенного покрова горнопромышленных территорий. Доказано, что пространственная неоднородность геоэкологической картины загрязнения эффективно поддается комплексному анализу на основе трехмерных моделей и тематических карт с применением принципа дискретного зонирования территории в случае, когда формальная математическая интерполяция и экстраполяция геоэкологических свойств почв приводит к резкому увеличению территориальных кластеров пространственной неоднородности, превышающих пространственную дискретность точек наблюдений.

4. Обосновано использование подхода, основанного на применении искусственных нейронных сетей для моделирования процессов загрязнения почвенного покрова. Доказано, что он обладает рядом преимуществ, поскольку комплексный анализ геоэкологической информации представляет собой задачу восстановления пропусков в таблице экспериментальных данных и соответствующем пространственном слое. При этом создается единый методический подход как для задач классификации, так и для задач прогнозирования.

5. Предложена и обоснована нейросетевая математическая модель для комплексного анализа загрязнения почв горнопромышленного региона, основанная на нейронной сети с обобщенной регрессией. Отличие данной модели состоит в том, что она обеспечивает возможность обработки разнотипных экспериментальных данных и инвариантна к допустимым преобразованиям шкал признаков.

6. На примере города Тулы построены прогнозные модели распределения полей загрязнения марганцем и цинком. Проведено сравнение точности полученных моделей с классическими методами и экспериментальными данными. Выполнен анализ чувствительности модели, позволивший ранжировать входные признаки по степени влияния на формирование загрязнения почвенного покрова.

7. Разработанные авторские макеты карт загрязнения почвенного покрова марганцем и цинком по территории г. Тулы могут быть использованы для разработки интегральных карт структуры антропогенного загрязнения в составе геоинформационной оболочки с целью выявления причинно-следственных связей между загрязнением различных компонентов природной среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе на основе теоретических и экспериментальных исследований загрязнения почв тяжелыми металлами методом нейросетевого моделирования в геоинформационной оболочке, усовершенствована методика оценки состояния почв техногенного статуса в зоне деятельности горнопромышленных предприятий, (п. 18 Паспорта специальности 25.00.36 — «Геоэкология»).