Введение к работе
Актуальность проблемы.Рост интенсивности и разнообразия техногенной нагрузки на гидролитссферу в значительной мере определяет еозник-ноеєниє экологически-неблагоприятных ситуаций в тех или иных промышленных регионах России (Московский, Норильский, Челябинский и др.) или в аграрных регионах интенсивного мелиоративного освоения (Калмыкия, Поволжье и др.). Подземные воды, являясь одновременно компонентами природных экосистем и одним из элементов трофической цепочки питания человека, оказывают большое влияние на формирование экологической обстановки и при изучении их роли важное значение приобретают задачи: 1) связанные с изучением распределения интенсивности техногенных процессов и реакции природных объектов на техногенное воздействие в пределах изучаемой территории; 2) ориентированные на предсказание значений показателей, характеризующий эту реакцию в неизученной части региона, подлежащей картированию.
Оба типа задач являются в гидрогеологической постановке задачами типологического районирования При этом первый тип задач ориентирован на районирование детально изученной территории, для которой обоснованы и Еыделекы признаки, характеризующие ее состояние.Задача состоит в выделении таксонов, однородных по значению и сочетанию признаков. Такое районирование в гидрогеологии выполняется методом экспертных оценок,на основе фундаментальных понятий иерархической гидрогеологической стратификации. Начало структурно-иерархическому подходу при репении задач гидрогеологических классификаций и районирования положено работами Б.А. Личкова, Ф.П. Саваренского, Г.Н. Каменского, A.M. Овчинникова, O.K. Ланге, Н.И. Толстихина. Дальнейшее развитие аналогичный подход получил в работах И.К. Зайцева, В.И. Куделина, Н.А. МариноЕа, В.А. Всеволожского, В.А. Кирюхина, Е.В. Пиннекера и др. В последнее время появились исследования, направленные яа формализация процесса гидрогеологического районирования с помошьп специальных математических методов (А.И. Коротков, 1977; К.П. Караванов, 1982; А.П. Хаустов, 1986; С.М.Че-салов, Б.А. Шматин, 19S9; А.Б. Лисенков, 1993,1994 и др.). В настоящей работе при решении задач 1-го типа отдается предпочтение факторному анализу, как методу, позволяющему: 1) "сжать" и селектировать исходную информацию; 2) выделить главные факторы, определявшие процесс формиро-
—/-
вания подземных вод региона;3) закартирозать выделенные факторы в интегральных показателях. В отличие от исследований А.П. Хаустова, разработавшего методику использования факторного анализа для районирования горно-складчатых территорий по условиям формирования подземного стока, автор ориентировал свои исследования на анализ и районирование эколого-гидрогеологических условий платформенных областей.
Второй тип диагностических задач предназначен для предсказания:
-
значений признаков, описывающих эколого-гидрогеологические условия;
-
реакции геосреды на техногенное воздействие 3) социальных последствий техногенных процессов. В конечном итоге задача завершается также типологическим районированием территории. Но, в отличие от задач первого типа, районирование для территории, недостаточно изученной или подлежащей изучению (картографированию) на базе обучения созданной модели эколого-гидрогеологических условий. Такой тип районирования может Сыть назван перспективным районированием и выполняется с помощью предложенного автором информационного анализа.
Второй тил задач по постановке Слизок к задачам геологического (или инженерно-геологического) прогноза. В гидрогеологических исследованиях такие задачи целенаправленно Ее используются, поскольку интен-но разрабатывается направление, связанное с составлением гидрогеологических прогнозов, задач темпоральных по своей сути В практике зколого-гидрогеологических исследований второй тип задач не менее важен, чем прогнозные проработки, поскольку позволяет оперативно оценивать интенсивно изменяющуюся обстановку и поставлять информацию для принятия управленческого решения.
Наиболее актуален и эффективен диагностический подход при эколо-го-гидрогеологическом картографировании, которое осуществляется в противоречивых условиях ограничения бюджетных затрат на его проведение и сохранении (а нередко даже при ужесточении) требований к качеству и достоверности результатов..
Автор объединяет оба типа выделенных эколого-гидрогеологических задач в класс диагностических по формальным.признакам, принятым в математика (И.И. Елисеева, Ю.В. Прохоров, ХА. Родионов, 1977; Ю.А. Воронин, 1982 и др.), в математической логике (В.Л. Кожара. 1982 и др.) и предлагает научно-методические основы их решения, базирующиеся на системном подходе к анализу эколого-гидрогеологических проблем и комплексном использовании факторного и информационного анализов.
-Л-
Дель и задачи работы. Главной целью исследований явилась разработка научно-методических основ диагностирования зколого-гидрогео-логических систем (ЭГГС). При этом автор исследует задачи классификации объектов и предсказания значений признаков, описывающих состояние ЭГГС: 1) задачи типологического районирования территории ЭГГС по комплексу показателей ее состояния и интенсивности техногенной нагрузки различного характера; 2) задачи предсказания реакции состояния ЭГГС, социальных последствий техногенной нагрузки и перспективное райониро* вание изучаемой территории.
Основные задачи исследований формулируются следующим образом:
-
Обобщить накопленные теоретические и практические разработки по использованию системного подхода в гидрогеологии, инженерной геологии, ряде направлений поисковой геологии, эколого-географических исследованиях в целях: а) создания понятийной базы, зколого-гидрогеологи-ческих исследований; б) разработки обдих принципов системного подхода к выделению и моделированию ЭГГС.
-
Разработать схему стадийности процесса трансформации эколо-го-гидрогеологических условий, соответствующие каждой стадии концептуальные модели к требования к построению их математических и неформальных разновидностей.
-
Разработать методику решения диагностических задач различной степени сложности, включающих: а) районирование территории ЭГГС по комплексу априорно-значимых показателей и по интенсивности техногенной нагрузки: б) предсказание реакции геосреды на техногенное воздействие различного характера и интенсивности и некоторых последствий такого воздействия.
-
Обосновать возможность использования аппарата теории информации для решения сложных диагностических гидрогеологических задач и разработать методику информационного анализа.
.5. Создать диагностическую систему "Экогеоинформ", работающую в режиме диалога с экспертом-гидрогеологом и обучения, позволяющую: а) вырабатывать стратегию гидрогеологического картографирования,ориентированную на снижение затрат на проведение специальных изысканий при условии сохранения их точности и достоверности; б) строить диагностические гидрогеологические карты по отдельным показателям состояния гео-
— 3-
среды и интегральным параметрам, учитывающим комплексное влияние виде-' ленных факторов; в) поставлять информацию для принятия управленческих решений, обосновывающих целенаправленное снижение (перераспределение) 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.
Научная новизна работы. В работе впервые разработаны или получили дальнейшее развитие:
-
Понятие об эколого-гидрогеологической системе (ЭГГС), сформулированное с учетом комплекса прямых и обратных связей между входящими в ее состав подсистемами (техногенной, ландшафтно-климатической,гидрогеологической) и внешней средой (социальные системы).
-
Терминологическая база для: описания состава и структуры зко-лого-гидрогеологических систем; процесса их трансформации под воздействием возрастающей во времени и расширяющейся по площади техногенной нагрузки; построения системных гидрогеологических моделей.
-
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, комплексирукжёго аппарат теории информации и неформальные (эвристические) приемы для районирования недостаточно изученных в гидрогеологическом отношении регионов в целях диагностирования реакцій геосреды на техногенное воздействие по ограниченному кругу информативных показателей;
методику картографирования показателей состояния ЭГГС на базе обучающихся информационных моделей;
подход к выделению параметров, определяющих 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 построе-
~А-
ний информационных моделей диагностирующей системой "Экогеоинформ".
Рассмотренный в работе информационный подход к анализу и диагностированию гидрогеологических ситуаций является перспективным направлением в изучении и моделировании гидрогеологических и эколого-гидрогео-логических условий и дает возможность как самостоятельного использования, так и комплексирования с моделями межотраслевого баланса, посто-но действующими моделями,частными эколого-гидрогеологическими моделями.
На защиту выносятся научно-методические основы диагностирования ЭГГС, которые базируются на следующих положениях.
-
ЭГГС характеризуется как открытая, ' динамическая система, представляющая собой целостную совокупность гидрогеологических (ГГС), ландшафтно-климатических (ЛКС) и техногенных (ТГС) подсистем, объединенных взаимоотношениями - и связями, находящимися во взаимодействии и на определенной стадии трансформации, в пределах речного гидролитос-ферного бассейна определенного уровня иерархии.
-
В гидрогеологических исследованиях выделяется две группы задач, ориентированных на диагностирование состояния ЭГГС.
-
Задачи эколого-гидрогеологического районирования территории по комплексу априорно значимых признаков состояния ЭГГС и интенсивности техногенной нагрузки различного характера в пределах изученной части региона (диагностика з режиме классификации).
-
Задачи предсказания реакции геосреды на техногенное воздействие, некоторых 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 диагнос
тических задач:
простые концептуальные модели ЭГГС эффективно диагностируются с помошью 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 задач.
4. Для решения задач эколого-гидрогеологического районирования
разработана и адаптирована методика факторного анализа, которая позво-
-X-
ляег помимо традиционных задач сжатия многомерной, разноуровенной зкологс-гидрогеологической информации решать задачи ее картографирования в обобщенных показателях.
5. Для решения сложных диагностических задач предсказания реакции гидрогеологических систем на техногенное воздействие предлагается информационный анализ, методика применения которого в эколого-гидрогео-логических исследованиях впервые предложена и разработана автором диссертации. Информационный анализ позволяет:
-
Диагностировать сложные ЭГГС реализацией на практике фундаментального закона кибернетики, закона необходимого разнообразия У.За-би.
-
Сформулировать и реализовать требования, предъявляемые к информационным моделям:
а) для оценки и диагностирования сложных эколого-гидрогеологичес-
ких ситуаций должны разрабатываться модели, способные контролировать
собственную сложность и сложность концептуальной модели ЭГТС;
б) реализуемые модели должны обладать способностью к адаптации и
самообучению, в случае дефицита информации, необходимой для диагности
рования, запрашивать ее и усваивать;
в) процесс контроля за функционированием ЭГГС возможен с установ
лением ее структуры, выделением лимитирующей (управляющей) подсистемы
(фундаментальный принцип экологии Ю.Либиха) и оценки ее сложности;
г) управление состоянием ЭГГсистемы целесообразно осуществлять с
помощью 'активных параметров", поиск которых и схема управления осу
ществляются в процессе информационного анализа.
5.3. Выполнять картографирование территории ЭГГС на основе анали
за ограниченного круга информативных показателей, обеспечивая сокраще
ние затрат на проведение изысканий при сохранении уровня точности и
достоверности зколого-гидрогеологических карт.
Реализация результатов исследований и их практическая значимость. Основные научные и практические результаты получены автором в процессе проведения кафедрой гидрогеологии МГГА 'хоздоговорных научно-исследовательских работ с Мангышлакским энергокомбинатом. Прикаспийским комбинатом Минсредмаша СССР, Южно-Аральской гидрогеологической экспедицией Министерства геологии Туркменистана, Госкомнедра РФ и др., а также в процессе проведения госбюджетных исследований по программе "Университеты России" (проект "Эко"). Результаты исследований были внедрены в
— е-
практическую деятельность гидрогеологических слухб Мангытлачэяерго- и Прикаспийского гсрнометалдургкческого комбинатов Минере дмаза СССР, Министерства геологии Туркменистана, использованы при интерпретации результатов геоэкологической съемки в Геоэкоценгре "Москва" Результаты исследований автора готовятся для использования в методических рекомендациях для подразделений Роскомнедра РФ -и используются в учебном процессе кафедры гидрогеологии МГГА.
Апробация работы. Основные результаты исследовании докладывались автором на Всесоюзных совещаниях: по изучению взаимосвязи поверхностного и подземного стока (Валдай.1973 г.). Проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов (Ленинград, ЛПИ, 1975 г.). Новейшие методы исследования и моделирования процессов переноса подземных вод (Киев, КГУ, 1976 г.). Гигиенические аспекты опреснения воды (Ш Всесоюзное совещание в г. Шевченко, 1988 г.), на 1 Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов, геокриологов (Киев, 1988 г.).
Теоретические и методологические аспекты работы рассматривались на республиканских совещаниях по поиску и разведке линз пресных вод (Ташауз, 1990 г.), многоцелевые гидрогеохимические исследования в связи с поисками полезных ископаемых и охраной подземных вод (Томск, 1Q93 г.); на международных симпозиума: Методы оценки ресурсов подземных вод (Москва, 1979 г.), 2-я конференция по геологии Индокитая (Ханой, 1991 г.). Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря (С.Петербург, 1993 г.). Отдельные методические вопросы докладывались на ежегодгых научных конференциях Московской государственной геологоразведочной академии и других совещаниях и конференциях.
Публикации. Соискателем опубликовано более 30 работ, из них по теме диссертации опубликовано 27 работ (в том числе 3 монографии).
Исходные данные и личный вклад в решение проблемы. В основу диссертации положены материалы, полученные автором в процессе работы начальником партии, экспедиции, ответственным исполнителем и научным руководителем хоздоговорных и госбюджетных научно-исследовательских тем. выполняемых яа 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. Разработки самой методологии реше-
— Ч--
ния диагностических задач в экогидрогеологических исследованиях явля--ется личным достижением автора работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глаї и заключения.