Технологии информационной поддержки управления качеством питьевого водоснабжения урбанистических сообществ

Концепция безопасного обеспечения населения пптьевой водой является одной из основных в формировании концепции Устойчивого развития, провозглашённого ООН на XXI век. Следствием этих решений явились программы и проекты, ориентированные на конкретные регионы мира, включая арктические.

В большинстве населенных пунктов России питьевая вода по некоторым важным качественным показателям не соответствует установленным стандартам и санитарным нормам. Это связано не только с устаревшими технологиями водоочистки, применяющимися па централизованных водопроводных станциях, но. главным образом, с повторным загрязнением питьевой воды в наружных и внутренних водопроводных сетях.

В федеральном масштабе это привело к формированию государственной программы «Чистая вода», включению этих вопросов в Доктрину продовольственной безопасности РФ и отражено в ряде других проектов и принятых программ, таких как проект национальной программы действий «Вода России — XXI век», проект федеральной программы «Обеспечение населения России питьевой водой» и других. Все вышеизложенное является основанием для проведения исследований, направленных на разработку технологий обеспечения качественного питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного типа и масштаба.

Состояние исследования проблемы. Применительно к рассматриваемому направлению можно указать на работы учёных секции Геополитики и безопасности РАЕН по социально-политическому проекту «Актуальные проблемы безопасности социума» под руководством председателя научного совета Совета безопасности РФ Пирумова В. С. 7,83,85], в области объектно-ориентированных геоинформационных систем работы лаборатории объектно-ориентированных ГИС СПИИРАН (Попович В.В., Ивакин Я.А.)[93,101], УНЦ «ГИС технологии» ЛЭТИ (Алексеев В.В., Куракина Н.И.)[13,15], в области методологии оценки рисков работы СП6Г11У (Дубареико К.А., Гуменюк В. И., Яковлев В.В.)[142], в области логико-вероятностных методов работы ВМА им. Н. Г. Кузнецова (Рябинин.

И.А., Можаев А. С., Поленин В.И.)[ 105,106,1 18], в области ГИС работы ГМА им. С. О. Макарова (Биденко С.И.)[20], РГГМУ (Бескид П.П.)[19], в области экологических аспектов оценки характеристик водных объектов работы СПбГУ (Дмитриев В.В., Третьяков В.Ю.)[40,41,42], РГГМУ (Шелутко В.А., Фрумин Г. Т. Скакальский Б.Г. Ковчпн И.С.)[133,137], СП6ГУРГ1 (Шишкин А. И. Епифанов А.В.)[138,139]. Инновационные подходы и маркетинговые вопросы рассматривались в работах Института инноватики СПбГПУ (Туккель И.Л., Колосова О. В. 70]). Из зарубежных исследователей следует указать на работы ежегодной конференции «Неделя воды» в Стокгольме, Швеция[146], «День Балтийского моря» в Санкт-Петербурге и др.

Однако существуют резервы улучшения качества систем питьевого водоснабжения, которые определяются всё более точными моделями систем управления качеством питьевого водоснабжения с использованием объектно-ориентированных ГИС, развитием информационных технологий оптимизации распределения усилий на основе оценки рисков водопотребления с учётом обстановки в источниках, системе транспортировки и реализации. Таким образом объектом настоящего исследования являются современные системы питьевого водоснабжения, а предметом исследования — комплексная система управления качеством питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного масштаба.

Актуальность диссертационного исследования обусловлена необходимостью совершенствования технологий водоочистки и природных источников водоснабжения, подверженных природным и антропогенным воздействиям, градостроительных особенностей, разработки способов повышения качества питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного масштаба.

Исследования по теме ранее выполнялись в рамках НИР «ЯкутХАБИТАТ», «МурманХАБИТАТ», а также будут продолжены в рамках плановых НИР «Крас-поярскХАБИТАТ» и «БалтХАБИТАТ».

Основной целью работы является разработка информационных технологий для повышения качества питьевого водоснабжения в соответствии с критериями, принятыми в мировом сообществе.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи: -осуществлён анализ факторов, определяющих качество питьевого снабжения в различных регионах, при различных способах водоснабжения и применения средств водоочистки;

— разработана геоинформационная модель системы водоснабжения с учетом влияния среды и технических характеристик средств, составляющих ее основные элементы, выявлены технические факторы, наиболее существенно влияющие на эффективность функционирования системы, с оценкой ее адекватности содержанию решаемых задач;

— обоснованы предложения по оптимизации системы водоснабжения, основанные на удовлетворении мировым критериям его качества;

— выработаны рекомендации по рациональному оборудованию урбанистических сообществ элементами питьевого сообщения, основанными на инновационных технологиях;

— обоснована целесообразность внедрения разработанных предложений.

Основными методами исследований являлись анализ и обобщение данных, формирование базы данных в геоинформационной системе, аналитический расчёт, алгоритмизация и программирование, имитационное моделирование и статистический анализ. Основным инструментом реализации указанных методов явилось применение общей теории статистических решений, ГЭП-анализа, основанного на логико-вероятностных и логико-статистических методах, объектно-ориентированное моделирование, машинный эксперимент и сопоставление его результатов с данными, полученными в ходе исследования. Разработанные модели, алгоритмы и методики программно реализованы на персональном компьютере На защиту выносятся:

1. Концепция информационной поддержки управления качеством водоснабжения урбанистических сообществ на базе ГИС-технологий.

2. Геоинформационная модель управления качеством питьевого водоснабжения с учётом характеристик источника, индикаторов качества и факторов влияния.

3. Логико-вероятностный метод оценки рисков некачественного водопотребления и построения георельефа рисков в геоинформационной системе.

4. Методика обоснования масштаба урбанистического сообщества в системе до-очистки воды при централизованном водоснабжении.

5. Методика сравнительной оценки соответствия российских и международных «индикаторов устойчивого развития» в части хозяйственно-питьевого водоснабжения на основе ГЭП-анализа.

Кроме того, в качестве дополнительных научных результатов выдвигаются следующие:

Рекомендации по рациональному оборудованию городов и населённых пунктов системами водоподготовки для хозяйственно-питьевых целей. Предложения по структуре базы данных источников водоснабжения в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в геоинформационной системе.

Научная новизна результатов исследований заключается в разработке концепции информационной поддержки управления качеством водоснабжения урбанистических сообществ на базе объектно-ориентированной геоинформационной модели, применении ГЭП-анализа, логико-вероятностного метода и обоснования предложений по улучшению качества питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного масштаба.

Теоретическая и практическая значимость исследований состоит в дальнейшем развитии логико-вероятностных и логико-статистических методов объектно-ориентированного моделирования структурно-сложных информационных систем. К основным практическим результатам можно отнести анализ, обобщение и оценку данных по характеристикам источников водопотребления региона в геоинформационной системе СЗФО, влияющих на качество питьевого водоснабжения сегментов населённых пунктов региона, рекомендации по выбору параметров и структуры системы питьевого водоснабжения с учётом мировых индикаторов.

Достоверность научных положений и выводов подтверждена непротиворечивостью полученных результатов данным в литературных источниках, корректным применением современных методов математико-статистической обработки исходных данных, согласием с экспертными оценками.

Личный вклад автора заключается в формулировке задач, методическом обеспечении их решения и анализе полученных результатов.

Использование результатов исследований. Автор участвовал в ряде НИР и ОКР РосНИПИУрбаннстики РФ и СПб университета растительных полимеров, относящихся к оптимизации схем территориального планирования и оценки качества воды в соответствии с мировыми стандартами. Основные результаты работы использованы в НИР «ЯкутУрбан», «МурманУрбан», учебном процессе РГГМУ, СПб УРП, Таганрогского радиотехнического университета, ООО «Прогноз-Норд», НИЦ «Потенциал-2». Автор удостоен диплома второй степени губернатора Санкт-Петербурга за инновационный проект в области питьевого водоснабжения.

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались на международных конференциях: «День Балтийского моря 2006, 2007, 2008, 2009», «Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов 2008, 2009», «МОРИНТЕХ-97» и межвузовских (1995г., 1996 г., 1997 г.) конференциях по радиоэлектронике в ЛЭТИ им. А. С. Попова, ТРТУ, РАГС при Президенте РФ.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 39 работах автора, включающих научные статьи, тезисы докладов и отчёты по НИР и ОКР.

Объем и структура работы. Работа объёмом 158 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 149 наименований, содержит 30 рисунков, 16 таблиц и 29 приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется целевая установка, определяется содержание научных исследований в интересах народнохозяйственных задач, вытекающих из критериев устойчивого развития.

В первой главе обобщаются данные по существующим принципам и моделям водоснабжения урбанистических сообществ различного масштаба от индивидуального до городского применительно к региону Санкт-Петербурга и Ленинградской области с формированием базы данных по имеемым и используемым источникам, их характеристикам и факторам, определяющим качество воды на различных этапах от источника до потребителя. Анализируются и классифицируются существующие способы формирования требуемого качества воды в зависимости от различных факторов на основе индикаторов устойчивого развития ООН-ХАБИТАТ в части питьевого водоснабжения. Производится сравнительный анализ показателей качества жизни в части хозяйственно-питьевого снабжения на основе международной системы индикаторов устойчивого развития, формулируется концепция информационной поддержки управления качеством питьевого водоснабжения, определяющая содержание исследований.

Во второй главе разрабатывается геоинформационная модель типовой структуры централизованного водоснабжения, учитывающая специфику влияния различных факторов на способы формирования требуемого качества воды в различных точках цикла потребления. Применительно к Санкт-Петербургу в качестве примера исследуется Кировский район с гремя пунктами водозабора и типовым кварталом застройки. Анализируются различные схемы водоподготовки, основанные на инновационных технологиях для сравнения качества воды по ор-ганолептическим, химическим, санитарным, биологическим показателям. Производится сравнительный анализ удельного веса различных способов в городах и населённых пунктах.

Для целей территориального планирования эффективным средством является построенный в геоинформационной системе георельеф рисков, определяющий распределение по территории необходимые средства водоподготовки.

Третья глава посвящена обоснованию комплексного подхода к оценке рисков в структурно сложных системах. Рассмотрены три основных подхода: -с применением критериев, основанных на расчёте мультипликативных показателей по методу школы проф. Яковлева В.В.

— по методикам, используемым Комитетом по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности Санкт-Петербурга- -с применением логико-вероятностных методов школы проф. Рябинина И.А.

При применении логико-вероятностного метода для оценки рисков некачественного водопотребления современные системы питьевого водоснабжения отнесены к классу структурно-сложных систем. Выбор класса структурно-сложных систем для последующего исследования был основан на анализе инфологических моделей централизованного, децентрализованного и смешанного водоснабжения, имеющие как структурные, так и географические особенности. Первый тип более адекватен крупным городам, второй — сельской местности, третий — населённым пунктам с окраинными территориями. Приведённые информационные структуры и 1игоршнмы характеризуют ОЛВМ, как эффективный и перспективный пример информационной технологии обеспечения управления качеством пшпьевого водоснабжения.

В четвёртой главе на основе разработанных геоинформационных технологий выполнено экономическое обоснование целесообразных способов водоподго-товки в зависимости от ситуаций, обобщены данные по производителям и потребителям, произведён SWOT-анализ предлагаемого к формированию инновационно ориентируемого эко-кластера в области водоснабжения, обоснована стратегия коммерциализации предлагаемых технологий и оценена ожидаемая эффективность инвестиций в маркетинговые мероприятия.

На основе анализа обоснованной целевой функции определён масштаб урбанистического сообщества, рекомендуемого для обеспечения средствами водоочистки. В реальных условиях таким масштабом является в настоящее время современный дом или кондоминиум с населением порядка 300−400 человек.

В заключении приводятся итоги работы, перечисляются полученные научные и практические результаты, раскрывается степень их достоверности, новизны и вклада в науку и практику, указываются сведения о реализации научных результатов, а также предложения по дальнейшему использованию результатов.

Выводы:

1. Анализ данных по техническим принципам систем водоочистки показывает, что они должны быть адаптированы ко многим критериям от региона до физиологических особенностей потребителя и наилучшей моделью технической реализации средства является приближенная к природным условиям модель.

2. Основными показателями качества средств водоподготовки в системах водопотребления урбанистических сообществ различного масштаба являются «Эффективность-стоимость», применительно к решаемой проблеме учитывающие стоимость или соотношение риск-стоимость средств в зависимости от масштаба социума.

3. В соответствии с выбранным критерием качества, соответствующим минимизации риска при фиксированном масштабе урбанистического сообщества, оптимальным является масштаб порядка 200−300 человек, т. е. средний кондоминиум порядка 100 квартир для урбанизированной территории при централизованном водоснабжении.

4. Продвижение на рынок продукции, создаваемой в кластере, может быть осуществлено проведением комплекса мероприятий, включая лоббирование в органах власти и бизнеса, создании инновационно ориентированного эко-кластера организаций и предприятий в области систем питьевого водоснабжения.

5. В качестве научно обоснованных предложений повышения качества питьевого водоснабжения следует принятие решений на уровне доктрины продовольственной безопасности, реализации программы «Чистая вода» и других программ о включении в юридические формы права каждого члена общества на обеспечение питьевой водой, соответствующей мировым стандартам качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основным итогом диссертационного исследования является разработанная концепция и геоинформационная модель управления качеством питьевого водоснабжения, позволяющие на основе применения логико-вероятностного метода оценивать, планировать, прогнозировать и осуществлять эффективное управление развитием территорий, территориальное планирование и совершенствование систем питьевого водоснабжения урбанистических сообществ различного масштаба. Степень их достоверности определяется корректностью постановки и решения задач, непротиворечием полученных результатов по отдельным характеристикам данным других авторов и согласием с экспертными оценками.

Научная и практическая новизна, отличающая представленное предложение, состоит в адаптации процесса водоподготовки к реальным природным процессам применительно к конкретному региону и конкретным природно-климатическим условиям.

Эффективность применения предлагаемых к разработке устройств по критерию «Эффективность — стоимость» существенно выше существующих аналогов. Результативность реализации рассматриваемой работы характеризуется возможностью включения составной частью в такие важные программы, как «Устойчивое развитие городов Планеты, включая Арктические регионы».

В Санкт-Петербурге Концепция безопасного обеспечения населения питьевой водой может быть реализована на практике при поддержке на государственном и особенно местном уровне. Учитывая масштабность решаемой проблемы, целесообразно провести эксперимент в одном из проблемных регионов города или Ленинградской области. Данный эксперимент может быть осуществлен в несколько этапов.

Одним из основных отличий разрабатываемого проекта является развитие взаимодействия пауки (Арктическая общественная академия наук) — власти (муниципальной, региональной) — бизнеса (Агентство по наукоёмким и инновационным технологиям) основанного на усилении роли негосударственных организаций (Совет Общественной палаты при Полномочном представителе Президента РФ в СЗФО и создаваемая Ассоциация организаций отрасли).

Использование результатов, полученных в ходе реализации проекта «Внедрение инновационных технологий в системах очистки воды коллективного пользования» позволит существенно повысить качество питьевого водоснабжения и приблизить российские индикаторы качества жизни населения в этой области к общемировым, поскольку их сравнение определяет необходимость разработки соответствующих мер в России. Такие предпосылки содержатся в инновационных технологиях российских научно-производственных коллективах, которые необходимо продвигать на соответствующий рынок.

Трудности продвижения на российский рынок систем водоочистки, основанных на инновационных технологиях, обусловлены рядом специфических для России факторов, включая коррумпированность власти, некомпетентность населения. Одним из основных результатов выполненного исследования является обоснование необходимости создания экокластера для решения проблемы, определение его структуры, разработка стратегии для продвижения на рынок продукции НИЦ «Потенциал-2», являющегося одним из объектов кластера.

Важным результатом также является разработка предложений по комплексу мероприятий по продвижению на рынок продукции, создаваемой в кластере, который включает лоббирование в органах власти и бизнеса. Обосновано положение, что при разработанной стратегии и её чётком выполнении возможно не только реализовать важные социальные проекты, но также сделать производство инновационноориентированной продукции рентабельным, т. е. получать прибыль на российском рынке. Одним из основных в стратегии продвижения продукции на рынок является организация маркетинговой политики кластера, осуществляемой продвиженческой группой Агентства в составе маркетолога, социолога и специалиста в области PR.

Произведённая в работе оценка эффективности реализации маркетинговой политики кластера показала её существенную зависимость от влияния общественных организаций формирующегося в России Гражданского общества.

Предложено в качестве одного из путей её усиления создание отраслевой Ассоциации, представляющей интересы кластера в российском обществе. Полученные в работе результаты целесообразно использовать:

В ООО «АНиИТ Прогноз-Норд» при поиске инновационных технологий, формировании банка данных, организации экспертизы выбранных проектов и продвижения на рынок наиболее перспективных разработок.

В СПб НОО АОАН при научном обосновании целесообразных направлений поиска инноваций в системах питьевого снабжения, продвижение имиджа инновационно ориентированных технологий в научных и общественных организациях.

В ГНУ РосНИПИУрбанистики при разработке принципов применения систем питьевого водоснабжения в проектируемых населённых пунктах в структуре энергои водосберегающих технологий, обеспечивающих устойчивое развитие в соответствии с Индикаторами ООН-ХАБИТАТ и Целями Развития Тысячелетия,.

В НИЦ «Потенциал-2» при разработке и изготовлении опытных и серийных образцов устройств питьевого водоснабжения, разработке оригинальных водных технологии и производства фирменного оборудования.

В РГГМУ при научно-образовательной поддержке деятельности экокластера, реализации в инновационных технологиях научно-образовательного кластера, формируемого в университете.

Как следует из зарубежного и российского опыта, основным фактором продвижения инновационных технологий в системах питьевого водоснабжения, является лоббирование, принимающее в конкретных условиях форму государственного (муниципального) протекционизма. Этот принцип в настоящее время может быть реализован более эффективно на основе применения закона о совершенствовании местного самоуправления. Важнейшим результатом также является социальная значимость проекта, связанная с приближением показателей качества жизни населения России в части питьевого водоснабжения к индикаторам, принятым ООН-ХАБИТАТ.