Введение к работе
Актуальность темы. Гидрофизические объекты являются важным классом сложных природных систем с иерархической структурой, входящих как элементы природно-хозяйстЕенных систем. Контроль функционирования этих систем и принятие решений в процессе управления ими невозможно без создания информационной технологии, являющейся элементом технологии геоинформационных мониторинговых систем (ГШС-техноло-гии)-, которая обеспечивает комплексный подход к решению задачи построения системы геофизического мониторинга, рассматривая любую подсистему окружающей среды как элемент природы, взаимодействующий терез биосферные, климатические и социально-экономические связи с глобальной системой биосфера-климат-общество. Для конкретного объекта мониторинга создается модель, описывающая это взаимодействие л функционирование различных уровней пространственно-временной лерархии всей совокупности процессов в окружающей среде, влияющих за состояние объекта.
Для условий гидрофизического мониторинга характерно отсутствие зозможностей свободного размещения измерительной и передающей аппаратуры в любой точке акватории, а потому важными оказываются задачи планирования измерений и выбора эффективных алгоритмов их обработки. Теоретические и прикладные основы автоматизации обра-5отки данных в условиях динамического изменения параметров иссле-їуемой системы заложены в работах А.Н. Выставкина, В.Ф. Крапивина, і.Я. Олейникова и других. Представляется целесообразным перенесение этого опыта на класс гидрофизических систем с созданием технологии ядитационного эксперимента с функциями оперативной оценки их состо-шия и прогнозом развития в условиях изменения окружающей среды.
Цель работы. Целью данной работы является развитие ГММС-?ехнологии применительно к типовым условиям гидрофизического эксперимента для сложных природных систем. Для достижения этой цели зешены следующие задачи:
_ 4 -
-
Анализ задач, возникающих при сборе и обработке данных в системах гидрофизического мониторинга и разработка рекомендаций для внедрения методики имитационного моделирования в эти задачи.
-
Разработка методологии синтеза систем обработки данных гидрофизического эксперимента на базе имитационного моделирования.
-
Подготовка методических основ для внедрения методов моделирования и обработки данных наблюдений за гидрофизическими объектами в процессе сочетания имитационного и натурного экспериментов.
-
Синтез имитационных моделей для сложных и больших природных аквагеосистем, функционирующих в изменяющихся антропогенных нагрузках.
-
Внедрение в систему гидрофизического мониторинга эффективной методики принятия статистических решений, основанной на методах обаботки данных в условиях априорной неопределенности.
-
Оценка состояния гидрофизических объектов на основе разработанной технологии и данных мониторинга.
Научная новизна. Разработанная информационная технология автоматизации обработки данных гидрофизического эксперимента создана впервые, а полученные с ее помощью результаты являются новыми:
-
Созданы новые имитационные модели функционирования гидрофизических объектов в условиях загрязнения.
-
Впервые осуществлен синтез имитационной модели для описания динамики загрязнений в водной среде при одновременном учете гидрофизических и экологических процессов.
-
В ходе вычислительных экспериментов впервые на основе многолетних сеансов многоканального СВЧ-радиометрического мониторинга Аральско-Каспийской аквагеосистемы найдены режимы управления ее гидрологическими элементами, приводящие к квазистационарному состоянию при средне статистических климатических вариациях.
-
Проведено изучение элементов гидрофизических процессов распространения загрязнителя в водной среде и указаны элементы системы гидрофизического мониторинга, включение которых обеспечивает решение задачи оперативной оценки содержания загрязнителя в воде.
- 5 -Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
обоснована: использованием математических доказательств, применением апробированных методов системного анализа и имитационного моделирования, сопоставлением результатов компьютерных расчетов с данными наблюдений и оценками других авторов.
Практическая ценность. Научно-практическая ценность работы состоит в использовании предложенной технологии совместного описания контактных точечных и дистанционных трассовых и площадных измерений в рамках единой модели физических процессов переноса воды в сложных и больших природных системах. Построенные имитационные системы использованы для вычислительных экспериментов по оценке состояния конкретных природных гидрофизических объектов. Работа выполнялась в соответствии с программой "Экологическая безопасность России" (проект 5.4.8.3), по заказу ВНИТШморнефтегаз, по Плану научного сотрудничества между РАН и НЇЇНТ СРВ (тема N 4 "Современные проблемы экоинформатики") и в рамках Контракта между Институтом проблем экоинформатики РАЕН и Государственным Департаментом Энергетики США.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:
-
Созданная технология имитационного эксперимента в гидрофизических исследованиях позволяет на основе отрывочной по пространству и фрагментарной во времени информации оценивать состояние аквагео-систем различного пространственного размера и прогнозировать их динамику в режиме мониторинга.
-
При организации мониторинга гидрофизических систем необходимо на основе имитационного эксперимента рассчитывать режим адап-вного сочетания технических и модельных средств, поочередное использование которых определяется процедурой расчета невязки мезкду прогнозным и измеренным состоянием системы.
-
Имитационная система для вычислительного эксперимента при оценке параметров экологического состояния аквагеосистемы при антропогенных воздействиях в виде потеков загрязнителей и ее реализации для климатических условий Средней Азии.
4. Методика комплексной оценки состояния гидрофизического
объекта, учитывающая взаимодействие-физических и экологических
механизмов трансформации загрязняющих веществ в системе.
5. Рекомендации по управляемому мониторингу аквагеосистемн
Арал-Каспий, приводящему к восстановлению ее водного баланса и
обеспечивающему сохранение квазистационарного режима изменения
уровней при среднестатистическом климатическом сценарии.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Методы и средства тематической обработки аэрокосмической информации" (Москва, 1986), на Всесоюзном Семинаре "Эволюционное моделирование и обработка данных радиофизического эксперимента" (Звенигород, 1984), на Втором между-нородном симпозиуме "Проблемы экоинформатики" (Москва, 1994), на Шестой Всесоюзной конференции "Электрические методы и средства измерения температуры" (Луцк, 1988), а также на семинарах отдела информатики Института радиотехники и электроники РАН (1985-1997) и Института проблем экоинформатики РАЕН (1994-1997). Результаты диссертации опубликованы в 31 работах.
Вклад автора в проведенные исследования. Большая часть результатов диссертации опубликована в совместных с другими авторами работах. Автор в этих исследованиях разрабатывал технологию имитационного эксперимента, готовил исходные данные и проводил сопоставление расчетных данных с экспериментом. Все расчеты на ЭВМ, результаты которых приведены в диссертации, проводились автором по разработанным им программам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и приложения. В ней содержится 225 страниц машинописного текста, 34 рисунка и 21 таблица. Библиография включает 137 наименований.
