Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ
НЕГАТИВНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ 14
Антропогенные воздействия на окружающую среду 14
Обобщенные показатели качества геоэкологической среды ..20
Методология комплексной экологической оценки 23
Математическое моделирование в задачах геоэкологии 25
Геоинформационные технологии в оценке состояния окружающей среды 28
Комплексирование математического и геоинформационного моделирования для исследований и мониторинга окружающей среды 30
Выводы к главе 1 32
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 33
Особенности природных и природно-технических систем Забайкальского края 34
Удоканская природно-техническая система 46
Хилокская природно-техническая система 49
Природно-техническая система Юго-Востока Забайкальского края 51
Природно-техническая система Нижнего Приангарья 54
Выводы-к главе 2 57
3. МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 58
Схема разработки программно-аналитического комплекса для задач прогноза и оценки природных и природно-технических систем ..58
Математическая модель локальных атмосферных процессов, методы ее численной реализации и методология проведения вычислительных экспериментов 60
Технология подготовки входных данных для получения динамических характеристик с различной степенью детализации 66
Модуль подготовки входной информации для моделирования и представления его результатов 70
Анализ результатов численных экспериментов с использованием геоинформационного моделирования 74
Схема математико-геоинформационного моделирования для оценки экологической безопасности природно-технических сооружений ..82
Методология построения интегральных показателей техногенного воздействия на основе геоинформационного моделирования 85
Алгоритм прогнозной оценки в среде ГИС воздействия природно-технических систем на окружающую среду 91
Сценарий прогнозной оценки негативного воздействия технических объектов на животный мир и его среду обитания 93
Выводы к главе 3 97
4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ СУЩЕСТВУЮЩИХ И
ПРОЕКТИРУЕМЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ 99
Оценка загрязнения атмосферы Хилокской ПТС 99
Оценка загрязнения атмосферы Удоканской ПТС 116
Апробация схемы математико-геоинформационного моделирования в задаче прогноза и оценки влияния проектируемого водоема на микроклимат окружающей территории 122
Прогнозная оценка негативного воздействия проектируемой железной дороги на животный мир и его среду обитания 130
Апробация схемы геоинформационного моделирования в задаче оценки техногенной нагрузки на территорию 133
Выводы к гл. 4 139
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 142
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 145
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Математическая модель динамики атмосферы 168
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Алгоритм численной реализации математической
модели в случае криволинейной области 172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Основные функции созданного модуля 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Акт об использования научных исследований и
разработок от ООО «ЗабайкалЭнерго» 197
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 Справка об использовании результатов исследований от
Центра по экологической оценке «Эколайн» 198
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 Справка об использовании научных результатов и
разработок от ООО «Корпорация Инжтрансстрой» 199
ПРИЛОЖЕНИЕ 7 Акт использования результатов
в учебном процессе вЧитГУ 200
Введение к работе
Актуальность работы. Проявляющаяся сырьевая направленность экономик отдельных регионов России, в том числе и Забайкальского края, развитие которых происходит за счет первоочередного освоения их минерально-сырьевых ресурсов, приводит к существенному увеличению техногенной нагрузки на окружающую среду территории, к ухудшению качества природных сред, что представляет угрозу для безопасности жизнедеятельности на этих территориях. Особенности географического положения, геоморфологических и природно-климатических условий Восточного Забайкалья обусловливают, в частности, высокий потенциал атмосферного загрязнения и крайнюю неустойчивость экосистем (особенно Севера края) к антропогенному воздействию. По этой причине развитие горнодобывающего и топливно-энергетического комплексов и постоянное наращивание транспортной инфраструктуры на территории: края для освоения его минеральных и лесных ресурсов, сопровождающиеся вмешательством в функционирование экосистем, ведет к снижению качества геоэкологической среды, условий жизнедеятельности человека.
На современном этапе развития вычислительной техники и информационных технологий наблюдается значительный прогресс в создании и использовании средств обработки, передачи и хранения информации, различным образом организованной и структурированной. Для полноценного анализа ситуации, принятия правильных решений в сфере охраны и сохранения сложных экосистем одной «голой» информации явно недостаточно. Необходимы соответствующие адекватные и надежные способы ее обработки, анализа и представления. Оценка антропогенных воздействий на геоэкосистемы без использования современных методов математического моделирования и ГИС-технологий становится трудноразрешимой задачей.
Актуальность и важность применения математического моделирования в такого рода исследованиях усиливается тем обстоятельством, что их результа-
5 ты имеют непосредственный практический выход в сферу социальных и экономических отношений современного общества [72].
Работа выполнялась в рамках программ научных исследований Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ранее ЧИПР СО РАН) таких как:
Программа № 5 «Математическое моделирование, информационные технологии и вычислительная техника" по научному направлению 8 "Математическое моделирование», проект 1: «Математическое моделирование природных процессов и анализ влияния антропогенных факторов на экосистемы Забайкалья»,
Программа 24.1. «Природные процессы в ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия, географической основы сбалансированного развития территорий», Проект 24.1.6. «Потенциал сбалансированного развития районов периферийного типа (на примере Забайкалья)»,
Программа 7.12.3. «Структурно-функциональная организация ландшафтов и научные основы рационального природопользования в условиях роста техногенных воздействий», проект 7.12.3.5. «Потенциал сбалансированного развития, экологический анализ состояния и оценка качества экономического роста трансграничных территорий (на примере Забайкалья
Программы СО АН СССР "Сибирь", "Новые поколения вычислительной техники, математическое моделирование и информационные технологии", "Биосферных и экологических исследований" и др.,
а также в рамках научных исследований по нескольким хоз. договорам. Кроме того, исследования выполнялись при поддержке грантов:
Глобального Экологического Фонда - Грант Global Environment Facility Trust Fund TF028315, (1997-2003), проект «Сохранение Биоразнообразия Российской Федерации",
Российского Гуманитарного Научного Фонда (РГНФ) - проекты:
о №04-02-00182а «Динамика процессов природопользования и качество
экономического роста природно-ресурсного региона», 2004-2006, о №07-02-00056а «Воздействие инструментов государственного регулирования на экологическую модернизацию экономики», 2007-2009, о № 08-02-12101 в «Информационно-аналитическая система для исследования динамики и качества экономического роста приграничных регионов», 2008-2009. Работы по данным программам и проектам выполнялись при непосредственном участии автора.
Объект исследования — природные и природно-технические системы (Восточной Сибири).
Предмет исследования — антропогенное воздействие на природную среду и его последствия.
Цель исследования — разработка методов и технологий обработки и использования в среде ГИС многофакторной информации, в т.ч. и результаты сценарных расчетов по математическим моделям, для оценки состояния природных сред и прогноза их изменения в результате природопользования и техногенного воздействия.
Идея работы - комплексное использование математического и геоинформационного моделирования как инструмента геоэкологических исследований с целью прогноза и оценки экологической безопасности.
Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие основные задачи:
усовершенствовать математическую модель гидродинамики атмосферы над ограниченной территорией со сложным рельефом для учета термических и динамических неоднородностей и разработать алгоритмы и программный комплекс ее численной реализации;
провести апробацию разработанного программного комплекса для ряда территорий Забайкальского края (Читинской области), в числе которых Чарская
7 и Читино-Ингодинская котловины, бассейны рек Хилок и Баляга в пределах Байкальской природной территории;
разработать схему использования геоинформационных технологий для совершенствования методологии сценарного анализа, прогноза и оценки последствий антропогенного вмешательства в природную среду территорий;
разработать технологию и создать программный модуль, автоматизирующий процессы извлечения из цифровых моделей информации о подстилающей поверхности (рельеф местности и др. характеристики), их обработки и ввода с целью последующего использования в качестве входной информации для численного моделирования последствий техногенного воздействия;
провести апробацию предложенного подхода и созданного модуля для ряда существующих и проектируемых объектов, в том числе для проектов строительства Богучанской и Мотыгинской ГЭС;
разработать методику анализа многофакторной информации, основанную на использовании геоинформационных технологий, для оценки последствий природопользования и техногенного воздействия на экосистемы, животный мир (оценка ущерба от строительства железнодорожной линии Нарын-Лугокан), построения и расчета интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды.
Научная новизна и значимость работы. Научная значимость выполненной работы заключается в ее междисциплинарном характере, комплексном использовании возможностей математического моделирования и геоинформационных технологий как метода геоэкологических исследований и инструмента выявления закономерностей взаимодействия природных и природно-технических систем, прогноза и оценки последствий этого взаимодействия, что привело к следующим результатам, содержащим элементы научной новизны: 1. Разработана и реализована в виде программно-аналитического комплекса методология прогноза и оценки состояния природных и природно-технических систем, последствий техногенных воздействий на окружающую
8 среду, основанная на использовании геоинформационных технологий в мат тематическом моделировании локальных атмосферных процессов над ограниченными территориями с неоднородным рельефом. Использование этой методологии для проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС позволило дать прогноз изменений микроклимата в результате строительства этих гидротехнических сооружений;
Разработано и апробировано ГИС-приложение, предназначенное для построения регулярной прямоугольной расчетной сетки с любым заданным количеством узлов и с любым шагом, в любых единицах измерения, для привязки к ней информации о подстилающей поверхности и подготовки ее для использования в численной модели гидродинамики атмосферы. Данный модуль является эффективным инструментом планирования и проведения численных экспериментов для прогноза воздействия технических сооружений на окружающую среду, позволяет быстро получать информацию разной степени разрешения (с разными количеством узлов и шагами сетки), автоматизируя процессы ее получения, обработки и ввода в модель. Инструментарий модуля автоматизирует и существенно ускоряет и процесс ввода, отображения и анализа результатов моделирования в ГИС;
Разработан и реализован в среде ГИС сценарий прогнозной оценки ущерба от техногенного вмешательства в геоэкологическую среду. Предложенный инструментарий был апробирован в задаче прогнозной оценки размеров ущерба животному миру в результате строительства и функционирования проектируемой железнодорожной линии Нарын-Лугокан;
Предложен алгоритм построения интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды, основанный на использовании аналитических возможностей геоинформационных систем.
Положения, выносимые на защиту: 1. Использование разработанного программного комплекса численной реализации вариантов трехмерной мезомасштабной модели гидродинамики атмо-
9 сферы, включающего специализированные блоки подготовки входной информации о характеристиках рельефа и микроклимата территорий, визуализации и анализа результатов моделирования, позволяет оценивать и прогнозировать изменения качества атмосферы в областях со сложным рельефом.
2. Предложенная методика, основанная на комплексировании результатов геоинформационного и математического моделирования, предназначена для оценки состояния и прогнозирования изменений качества геоэкологической среды в природных и природно-технических системах, а также для выявления степени экологической безопасности проектируемых объектов и возможного ущерба в результате реализации их проектов. Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность
сформулированных в работе научных положений и выводов обеспечена:
использованием современных методов исследований и технологий,
использованием в качестве базовых признанной мировой наукой математической модели гидродинамики атмосферы и ее методов реализации,
большим количеством тестовых расчетов, результаты которых подтверждают адекватность применяемых схем и алгоритмов,
достаточным количеством вычислительных экспериментов, выполненных при исследовании природно-технических систем с различными природно-климатическими условиями и уровнями техногенной нагрузки,
удовлетворительной сходимостью расчетных значений с данными наблюдений: относительная погрешность результатов не превышает 10%,
апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях,
использованием материалов исследований в инженерно-экологических изысканиях и ОВОС крупных технических проектов.
Личный вклад состоит в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов и методов решения, их реализации.
Поставленные цели и задачи проведенных исследований соответствуют пунктам 15, 17, 20 и 21 паспорта специальности 25.00.36 «геоэкология».
10 Практическое значение, апробация и внедрение. Материалы работы вошли в научные монографии «Экология городского водоема» (Новосибирск, Изд-во СО РАН, 1998) [139], «Экологические индикаторы качества роста региональной экономики» (2005) [154], Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Читинской области за 2004-2005 годы» (2006) [40], в тематические сборники статей [6, 33, 37, 71, 114, 116, 122, 138, 141], в отчеты по хоз. договорам [52, 99, 101, 148, 156].
Методология численного моделирования и созданный программный комплекс использовались в исследованиях мезометеорологических процессов и особенностей распространения загрязнений на территориях со сложным рельефом, таких как Чарская [6, 73, 90, 114, 138, 140] и Читино-Ингодинская [139] котловины, для оценки антропогенного влияния на экосистемы рек Байкальского бассейна - Хилок и Баляга [148 - 150], в пределах Байкальской природной территории. Кроме того, автор участвовала в работах по оценке возможных микроклиматических изменений в рамках экологических экспертиз таких крупных проектов как строительство Шилкинской [156]и Катунской ГЭС [101].
Предложенные методология и алгоритм оценки влияния природно-технических систем на природную среду окружающих территорий были применены в исследованиях, проводимых в рамках экологических экспертиз проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре (совместно с А.А. Фалейчи-ком и Э.А. Пьяновой) [99, 116, 118, 120 - 122, 144 - 146, 166, 167, 180, 181]. Использование созданного программного модуля позволило существенно сократить сроки выполнения работ. Материалы исследований переданы заказчику.
Результаты исследований по Богучанской ГЭС вошли в «Важнейшие результаты завершенных в 2008 г. фундаментальных исследований ИПРЭК СО РАН».
Предложенный автором геоинформационный подход к оценке состояния геоэкологической среды был использован в задачах оценки а) техногенной нагрузки на окружающую среду территории России и экосистемы Забайкальского
края [32, 37, 142, 143, 151, 152, 154, 176] и б) качества жизни населения Забайкальского края [147].
Разработанная технология оценки техногенного воздействия на природную среду использована в инженерно-экологических изысканиях и разработке системы экологического мониторинга к проекту создания транспортной инфраструктуры для освоения минерально-сырьевых ресурсов юго-востока Забайкальского края, в рамках которых по каждому из районов Забайкальского края, затронутому реализацией проекта ж.д. линии Нарын-Лугокан, был оценен экономический ущерб, наносимый среде обитания животных [52, 80, 81]. Материалы исследований переданы заказчику.
Автор дважды (в 2003 и 2006 гг.) представляла результаты исследований на конкурс в SCGIS (The Society for Conservation GIS) - Международное общество природоохранных ГИС, получала индивидуальные гранты и приглашения на конференции общества, а также и на 23-ю и 26-ю Ежегодные международные конференции пользователей программных продуктов ESRI для выступлений с докладами о проведенных исследованиях. Участвуя в конкурсе по природоохранной программе компании ESRI, Inc. (Environment Systems Research Institute — Институт исследований систем окружающей среды, США) «The ESRI Conservation Program», автор выиграла 2 гранта, по которым в 2003 и 2006 гг. были получены программные продукты компании Arc View 3.3 и ArcEditor 9.2 семейства ArcGIS с дополнительными модулями. В 2002 г. приглашалась оргкомитетом XI International conference IBFRA (Красноярск, 2002), для участия в работе Workshop GOFC "Boreal Forests and environment: local, regional and global scales" и выступления с докладом (индивид, грант).
Кроме того, все результаты проведенных исследований неоднократно докладывались на других международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и вузовских конференциях (всего более 40), среди которых: International Conference on Computational Information Technologies for Environmental Sciences, CITES-2007, Томск, CITES-2009, Красноярск,
12 XI International conference IBFRA, Workshop GOFC "Boreal Forests and environment: local, regional and global scales", 2002, Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование - 2009», Красноярск, Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS- 2008, VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды: КРОС-2008», XIII, XIV, XVI Рабочие группы «Аэрозоли Сибири», 2006-2009, XIII Международный симпозиум «Оптика Атмосферы и Океана. Физика Атмосферы», 2006, V Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия», 2003 - г. Томск, VIII Международная конференция РОЭЭ «Экономическое развитие и окружающая среда: стратегии, модели, инструменты управления», Сочи, 2007, IV, V Всероссийские конференции "Актуальные проблемы прикладной математики и механики", посвященные памяти академика А.Ф. Сидорова, 2008-2009, XII, XIII Всероссийские Школы-Семинары "Современные проблемы Математического Моделирования", 2007, XXXVI, XXXVII Всероссийские школы-семинары «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования», 2008-2009, Абрау-Дюрсо, VI, VII, VIII, IX Всероссийские научно-практические конференции «Кула-гинские чтения», 2006 — 2009, Чита.
Результаты исследований и опыт, приобретенный в процессе их выполнения, используются автором в учебном процессе и дипломном проектировании студентов в Читинском государственном университете.
Для решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования атмосферных процессов, численные методы, геоинформационное и математико-картографическое моделирование.
13 Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, из них: 6 статей в реферируемых журналах, разделы в 2 монографиях, 10 статей в научных сборниках. Имеются рукописные работы (научные отчеты по госбюджетным и хоздоговорным темам) [52, 73, 100, 114, 148, 99, 155, 156].
Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.э.н. И.П. Глазыриной, д.т.н. В.П. Мязину и Д.М. Шестерне-ву за высказанные замечания, ценные советы и консультации, к.ф.-м.н. А.А. Фалейчику и Е.А. Цветовой, Э.А. Пьяновой и Е.А. Клевакиной за неоценимую помощь, консультации, постоянную поддержку и внимание при подготовке диссертации; д.г.-м.н. Б.Н. Абрамову и к.г.н. И.Е. Михееву за внимание и ценные советы при подготовке диссертации.
