litceysel.ru
добавить свой файл
1 2


На правах рукописи


Дмитриева Лариса Юрьевна


РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА ПОД АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

(НА ПРИМЕРЕ ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ)


Специальность 25.00.36 – Геоэкология


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Иркутск - 2010


Работа выполнена в ГОУ ВПО

«Иркутский государственный технический университет»


Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Мусихина Елена Алексеевна


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Богданов Андрей Викторович


кандидат технических наук

Шильникова Татьяна Леонидовна


Ведущая организация Учреждение Российской академии наук Институт

горного дела СО РАН, г. Новосибирск



Защита состоится 27 апреля 2010 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.02 при Читинском государственном университете по адресу: 672039 г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, зал заседаний ученого совета


Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ, ученому секретарю совета Д 212.299.02


Факс: (3022) 41-64-44; E-mail: root@chitgu.ru


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Читинского государственного университета.


Автореферат разослан «25 » марта 2010 г.


Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Шарапов Н.М.


Общая характеристика работы

Актуальность. Одной из важнейших социально-экономических задач является изучение состояний окружающей природной среды, прогнозирование изменений ее состояний, как в естественных условиях, так и под воздействием антропогенных факторов, с целью прогнозирования возможных рисков.


В настоящее время риску загрязнения почвенного покрова различными группами токсикантов, его последствиям и взаимосвязям между техногенными нагрузками и устойчивостью почв уделяется недостаточно внимания. Разработка технических средств прогнозирования риска загрязнения почв, методов его оценки и управления находится еще в стадии становления. На современном уровне знаний не существует общепринятых подходов и путей решения этой крайне сложной проблемы. Для достижения указанной цели необходима интегральная оценка опасности загрязнения почв, создание стандартов качества почв, внедрение в природоохранную сферу мер экономического стимулирования, направленных на снижение антропогенной нагрузки на почвенный покров до допустимого уровня.

В последние годы для обеспечения задач прогнозирования особое внимание уделяется разработке различных библиотек и пакетов прикладных программ. В настоящее время лидирующее место среди технических (программных) средств в области охраны окружающей среды занимают программные продукты, разработанные фирмой «Интеграл», объединенные в серию «Эколог». Среди программ фирмы «Интеграл» имеются уникальные разработки: унифицированная программа расчета загрязнения атмосферы (УПРЗА) Эколог (версия 3.0), охрана атмосферного воздуха, система экологического мониторинга города (региона) «Эколог-город». Программное обеспечение «Аналитический комплекс с единым программным обеспечением для экологического мониторинга», который реализует современные технологии мониторинга химического состава объектов окружающей среды, результаты которого могут быть использованы для прогнозирования состояния окружающей среды. Решение экологических проблем становится приоритетным для обеспечения устойчивости развития промышленных территорий. Особенно это касается крупных населенных пунктов, где сосредоточены промышленные предприятия.

Учитывая иерархическую структурированность окружающей среды и адекватную ей структурированность времени, соответствующую различным уровням природной системы, время рассматривается как показатель дисконтирования затрат на восстановление природной среды.


Актуальность поставленной научной задачи определяется необходимостью объективной комплексной оценки загрязнения почв и прогнозированием изменений окружающей среды, учитывающим распространение антропогенного воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства и времени, необходимого на восстановление природной среды в качестве временных единиц.

Цель исследования: разработка технологии для прогнозирования изменений окружающей среды и её защиты с применением Технического (программного) средства «Расчет интерференции плотности антропогенного воздействия на почвенный покров Иркутской области», ориентированного на комплексную оценку почв с возможностью адаптации на любую другую область воздействия.

Основная идея работы заключается в прогнозировании изменений окружающей среды под влиянием различных токсикантов с учетом распространения воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства с использованием показателя времени как дисконтирование затрат на восстановление почвенного покрова.

Основные задачи исследования:


  1. Изучение характеристики почвенного покрова и закономерности его изменения в промышленных центрах Иркутской области.

  2. Применение формулы для расчета эколого-экономического ущерба, наносимого антропогенным воздействием почвам с учетом пространственно – временных характеристик.

  3. Построение модели прогнозирования антропогенного воздействия на почвенный покров с использованием фактора времени.

  4. Разработка технического (программного) средства «Расчет интерференции плотности антропогенного воздействия на почвенный покров Иркутской области» с применением обьектно-орентированного программирования и подключением баз данных для

  • расчета эколого-экономического ущерба;
  • визуального представления границ антропогенного воздействия на почвенный покров по пространственно-временной методике;


  • выявления областей наложения воздействия различных типов токсикантов;

  • расчета площадей зон наложения;

  • организации процесса сохранения результатов расчета и экспорта данных в пакет Microsoft Office (в частности в MS Excel);

  • разработка пакета документов для сопровождения программного обеспечения.

  1. Апробация разработанного технического средства на фактическом материале.

  2. Выявление взаимодействия между загрязнением почвенного покрова и медико-демографическими показателями.

Научные положения, выносимые на защиту:

  1. Предложена технология комплексной оценки почв, учитывающая распространение антропогенного воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства с учетом времени, необходимого для восстановления природной среды.

  2. Разработано техническое (программное) средство, позволяющее визуально представлять границы антропогенного воздействия на почвенный покров и производящее расчет площадей наложения от воздействия различных объектов.

  3. Осуществлено прогнозирование рисков от изменения качественных характеристик почвенного покрова с учетом влияния на медико-демографические показатели.

Объектом исследования является прогнозирование изменений качественных характеристик почвенного покрова территории Иркутской области под влиянием антропогенной нагрузки.

Предметом исследования является анализ и выявления зон риска воздействия различных токсикантов при комплексной оценки состояния почв (населенных пунктов Иркутской области) с применением технического (программного) средства и прогнозирования на перспективу.

Методы исследования:

  1. Структурно-иерархическое пространственно-временное моделирование оценки эколого-экономического ущерба от воздействия на окружающую среду.
  2. Пространственно-временное моделирование динамики загрязнения почвенного покрова территории Иркутской области токсикантами промышленного происхождения.


  3. Программное обеспечение:

  • система объектно-ориентированного программирования Delphi, позволяющая быстро и удобно разрабатывать эффективные приложения, включая приложения для работы с базами данных;

  • пакет Microsoft Office;

  • система Microsoft Help Workshop для создания справочной информации.

  1. Технология ADO (ActiveX Data Objects - объекты данных ActiveX), которая осуществляет доступ к информации с помощью OLE DB (Object Linking and Embedding Data Base - связывание и внедрение объектов баз данных), данными для ADO использовались таблицы MS ACCESS.

  2. Карты информационной системы Google, применение которых разрешено в некоммерческих целях.

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

  • использованием современных информационных технологий, позволяющих ограничить возможность влияния на результат расчетов;

  • расчетом эколого-экономического ущерба на основе пространственно- временной методики (повышение достоверности на 5-10%) с возможностью визуально представить зоны антропогенного воздействия;

  • апробацией результатов на международных и всероссийских конференция;

  • апробацией и внедрением технического (программного) средства в ГУ МЧС России по Иркутской области при прогнозировании рисков от антропогенного воздействия;

  • свидетельством о государственной регистрации программ для ЭВМ «Расчет интерференции плотности антропогенного воздействия на почвенный покров Иркутской области» № 2009616716 от 03 декабря 2009г РОСПАТЕНТ.

Личный вклад автора диссертации заключается:

  • в отборе, анализе и обобщении литературных источников по оценке ущерба почвенного покрова, прогнозированию изменений почвенного покрова;

  • в разработке технологии комплексной оценки почв, учитывающей распространение антропогенного воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства и времени, необходимого для восстановления природной среды


  • в разработке и создании технического (программного) средства, позволяющего визуально представлять границы антропогенного воздействия на почвенный покров и производящего расчет площадей наложения от различных объектов, позволяющего осуществлять прогнозирование изменений состояния окружающей среды.

Научная новизна работы:

  1. Предложен универсальный способ повышения адекватности комплексной оценки ущерба на основе пространственно - временной методики по заказу Иркутской областной администрации;

  2. Разработан способ визуализации границ возможного антропогенного воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства с учетом фактора времени;

  3. Впервые установлена интерференция плотности антропогенного воздействия, имеющая в большинстве случаев аддитивный характер;

  4. Показана зависимость медико-демографических показателей состояния здоровья населения от характера антропогенного воздействия на почвенный покров.

Практическая ценность:

  1. Выполнен расчет эколого-экономический ущерба, наносимый почвам территории Иркутской области на основе пространственно-временной методики.

  2. Создано техническое (программное) средство для расчета интерференции плотности наложения от различных типов воздействия, позволяющее визуально представить зоны антропогенного воздействия, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ №2009616716 3.12.2009.

  3. Результаты научного исследования могут быть применены в дальнейшем для расчета эколого-экономического ущерба, наносимого антропогенным воздействием почвам других территорий.
  4. Показано влияние промышленных центров Иркутской области на показатели здоровья населения под влиянием изменения состояния окружающей среды.


  5. Спрогнозировано возможное изменение состояний окружающей среды с целью локализации и ликвидации, негативных как природных, так и техногенных воздействий.

  6. Разработанное программное обеспечение апробировано и внедрено в ГУ МЧС России по Иркутской области, акт внедрения технологии комплексной оценки территорий с использованием технических средств, утвержденный заместителем начальника Главного управления МЧС России по Иркутской области подполковником М.В. Бегуном 25 сентября 2008 года.

Апробация результатов научного исследования. Результаты исследования докладывались и обсуждались на научно-технической конференциях разного уровня: «Геонауки» (Иркутск, 2008), «Экология и современное образование» (Москва, 2008), в том числе международных - «Экология промышленных регионов России» (Дубай, 2008), «Природопользование и охрана окружающей среды» (Пекин, 2008), «Экология большого города» (Санкт-Петербург, 2009), «Актуальные проблемы науки и образования» (Варадеро, 2009), «Природопользование и охрана окружающей среды» (Париж, 2009).

По результатам научного исследования опубликовано 13 печатных работ, из них 4 – в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Текст диссертации изложен на 146 страницах и содержит 66 рисунков, 15 таблиц, 1 приложение. Библиографический список состоит из 85 наименований, акт внедрения, патентное свидетельство.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, к.т.н. Мусихиной Е.А.; зав. кафедрой ПГ и Г д.г.-м.н., профессор Дмитриеву А.Г.; д.т.н. Зелинской Е.В. за неоценимую помощь, консультации при подготовке диссертации; сотрудникам ФГОУ СПО СГМКСиП Помазкиной Л.И. и Лазько Т.В. за постоянную поддержку и понимание при подготовке диссертации.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность исследований по теме диссертационной работы, сформулированы цель и задачи, дана общая характеристика работы.


В первой главе рассмотрены основные виды и последствия антропогенного воздействия на почвенный покров, представлен обзор различных библиотек и пакетов прикладных программ по прогнозированию в области охраны окружающей среды, выполнен анализ подходов к оценке антропогенного воздействия на почвы территорий.

Во второй главе изложены характеристики почвенного покрова промышленных центров Иркутской области (г. Ангарск, г.Байкальск, г. Бирюсинск, г.Вихоревка, г.Зима, г.Ирутск, п.Култук, п. Листвянка, п. Мегет, г.Саянск, г.Свирск, г.Слюдянка, г. Тайшет, г.Усолье-Сибирск, г.Усть-Илимск, г.Черемхово, г.Шелехов, г.Братск) и закономерности его изменения. Произведен анализ взаимосвязи между загрязнением почв и здоровьем населения Иркутской области.

В третьей главе приводится описание проектирования и создания технического (программного) средства для расчета интерференции плотности антропогенного воздействия, позволяющее визуально представлять границы антропогенного воздействия на почвенный покров промышленных центров Иркутской области и производящее расчет площадей наложения от воздействия различных объектов.

В четвертой главе предложена технология прогнозирования изменений почвенного покрова с учетом антропогенного воздействия на основе комплексной оценки почв и произведена апробация данной технологии с помощью разработанного технического (программного) средства.

Заключение содержит основные выводы, полученные в результате проведенных исследований.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Основные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:


  1. Предложена технология комплексной оценки почв, учитывающая распространение антропогенного воздействия от локального объекта на периферию окружающего пространства с учетом времени, необходимого для восстановления природной среды.

В.И.Вернадский одним из первых среди современников указывает на неразрывную связь времени и пространства. Течение времени изменяет состояние пространства, влияя на его симметрию, что, в свою очередь, позволяет учитывать не только количественную, но и качественную характеристику любых природных систем.


Последствия проявления опасности всегда приносят ущерб, который может быть экономическим, социальным, экологическим и т. д. Следовательно, оценка риска должна быть связана с оценкой ущерба. Чем больше ожидаемый ущерб, тем значительнее риск. С точки зрения количественной оценки понятие экологический риск- рассматривается как отношение величины возможного ущерба от воздействия вредного экологического фактора за определенный интервал времени к нормированной величине интенсивности этого фактора. Под возможным ущербом, прежде всего, имеется в виду здоровье человека и время необходимое для восстановления природной среды как системы.

Рассчитав воздействия от различных факторов, произведем их суммирование по площадям наложения (по плотности воздействия), и лишь после такого анализа можно принять грамотное и обоснованное решение о допустимости (или недопустимости) увеличения нагрузки на природную систему любого района. Подобные расчеты необходимы для адекватности оценки воздействий на систему и прогнозирования состояний системы после приложения антропогенного воздействия, поскольку позволяют определить порог устойчивости системы (точку перехода количественных изменений в качественные).

Синергетический подход к моделированию природных систем, имеющих много степеней свободы, дает возможность создать адекватную, работоспособную модель для изучения и прогнозирования состояния таких систем, как в естественном виде, так и в условиях антропогенной нагрузки.

Суть предлагаемой ниже пространственно-временной модели оценки ущерба рассмотрена на примере комплексной оценки природной среды территории Иркутской области.

На основании вышеизложенного предлагается следующий подход к оценке эколого-экономического ущерба от воздействия на окружающую среду. В качестве основы этой модели взята структурно-иерархическая пространственно-временная модель воздействия горных работ (на примере Бодайбинской золотоносной провинции), учитывающая это влияние от локального уровня (дражного полигона) до провинции в целом:


, (1)

где – масштабный коэффициент подобия; – время жизни компонента природной среды; n – количество уровней системы, для которых производится расчет, в данном случае от 1 до 3; - коэффициент связи компонентов природной среды, принимаем равным 3 (почвы, вода и воздух), - степень нарушенности земель; – площадь загрязненных токсикантами земель; - площадь территории Иркутской области.

Для комплексной оценки состояния почв территории Иркутской области предлагается применить общую формулу путем ввода предельно-допустимой концентрации (ПДК) вместо степени нарушенности земель для каждого из уровней системы и формула для расчета ущерба, наносимого почвам примет следующий вид:

, (2)

подставляя данные по площадям можно получить комплексную оценку ущерба, наносимого природной среде этого района, т.е. определить время, необходимое для восстановления почвы. Таким образом, время рассматривается как показатель дисконтирования затрат на восстановление природной среды.

Для достоверной оценки и визуального представления границ антропогенного воздействия, рассматриваемые промышленные центры подразделены на следующие группы:

I группа: Ангарск, Иркутск, Мегет, Шелехов;

II группа: Усолье-Сибирское, Свирск, Черемхово;


III группа: Тайшет, Бирюсинск;

IV группа: Байкальск, Култук, Слюдянка, Листвянка;

V группа: Саянск, Зима;

VI группа: Вихоревка, Братск;

VII группа: Усть-Илимск.

Для прогнозирования изменений окружающей среды рассматривается три уровня природных и техногенных загрязнений на окружающую среду (рис.1):

I уровень, R1- радиус рассматриваемого населенного пункта;

II уровень, R2= R1+ 5 км;

III уровень, R3= R2+ 5 км.


Рис. 1. Модель прогнозирования антропогенного воздействия на почвенный покров (распространяющегося от центра локального объекта)


Каждый последующий уровень, начиная со II-го, увеличивается на 5 км, исходя из данных по обследованию почв, так как большинство случаев превышения ПДК отмечены в двух и более км на прилегающей к городам территории, где в качестве реперной точки принят центр города.

Для апробации технологии прогнозирования используются данные по обследованию почвенного покрова в период с 1993 по 2007 год.

Таблица 1

Данные по обследованию почв для расчета эколого-экономического ущерба по промышленным центрам Иркутской области I группы городов


Город

Год исследования почв

ПДК на

1-м уровне

ПДК на

2-м уровне

ПДК на

3-м уровне

Токси-кант

Ангарск

1993


2

2

2

Zn

1993

1,7

1,7

1,7

Co

1993

1,8

1,8

1,8

Pb

2002

2

0,25

0,25

Pb

2002

2,8

2,8

2,8

Cu

2002

1,3

7,02

7,02

Mo

2002

1,5

0,75

0,75

V

Шелехов

2004

2

-

-

V

Иркутск


2004

8

-

-

Mo

2004

5

-

-

Zn


2004

2

-

-

Cu

2004

2

-

-

V

2004

0,9

-

-

Hg

2004

3,5

-

-

Pb

2004

10

-

-

Sn

2004

2

-

-

Mn

2004

2

-

-

Ni


  1. Разработано техническое (программное) средство, позволяющее визуально представлять границы антропогенного воздействия на почвенный покров и производящее расчет площадей наложения от воздействия различных объектов.

Для систематизации и обработки данных по расчету эколого-экономического ущерба выбрана система визуального программирования Delphi, позволяющая быстро и удобно разработать эффективные приложения и база данных MS Access.

В данной работе для связи приложения и базы данных используется технология ADO (ActiveX Data Objects – объекты данных ActiveX) (рис. 2).



Рис. 2. Схема доступа к данным по технологии ADO


Программа расчета плотности антропогенного воздействия на почвенный покров состоит из:


  • приложения AntropVoz, которое загружает работу программы (разработано в системе визуального программирования Delphi);

  • базы данных Database, в которой хранятся данные, необходимые для расчета эколого-экономического ущерба по пространственно- временной методике, разработанной Е.А. Мусихиной (разработано в MS Access);

  • файла справки HELP (разработано в программе Microsoft Help Workshop);

  • содержания справочной системы Содержание (разработано в программе Microsoft Help Workshop).

Результаты расчета, хранящиеся в базе данных, «Ущерба 1 уровня», «Ущерба 2 уровня» и «Ущерба 3 уровня» пользователь может экспортировать в офисный пакет MS Excel.

Для визуального представления интерференции плотности антропогенного воздействия использованы карты информационной системы Google, применение которых разрешено в некоммерческих целях. Нанесение окружностей осуществляется при помощи программного кода по алгоритму построения окружности Брезенхема. Для расчета площади области интерференции плотности антропогенного воздействия необходимо найти площадь пересечения 2-х окружностей.

Применяется формула для нахождения площади сегмента через радиус окружности (R) и стрелку сегмента (h):

. (3)

Для применения данной формулы автором выведена формула нахождения стрелки сегмента по известным координатам центров окружностей, расстоянии между ними и их радиусов:

и . (4)

В программе также создана функция, которая анализирует будут ли окружности пересекаться (нахождение интерференции плотности антропогенного воздействия), соприкасаться или они не пересекаются (интерференции плотности нет).


Использование технического (программного) средства обеспечивает достоверность и высокая степень адекватности оценки интерференции плотности антропогенного воздействия.

Данные расчета площадей областей интерференции плотности антропогенного воздействия выводятся в дополнительное окно и сохраняются пользователем в новый файл или добавляются в уже существующий. Текстовый формат файла представляется наиболее удобным для пользователя.

Для исчерпывающей информации о программе и о том, как с ней работать, о теоретических основах технологии комплексной оценки почвенного покрова территории создана справочная система при помощи программы Microsoft Help Workshop.


  1. Осуществлен прогноз рисков от изменения качественных характеристик почвенного покрова с учетом влияния на медико-демографические показатели.

Площадь антропогенного воздействия показывает ущерб, наносимый окружающей среде различного рода токсикантами для семи выделенных групп населенных пунктов Иркутской области, что позволяет выполнить прогнозирование техногенных воздействий на почвенный покров.

I группа: Ангарск, Иркутск, Мегет, Шелехов:



Рис.3. Визуальное представление антропогенного воздействия на почвенный покров (г.Иркутск, г.Ангарск, г.Шелехов и п.Мегет)



следующая страница >>