Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ
"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Волошкіна Олена Семенівна
УДК 577.4; 556.18 (282.2)
Наукове обґрунтування прогнозу
стану РІЧКОВих БАСЕЙНІВ України
і методи його оцінки
Спеціальність 21.06.01 –Екологічна безпека
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському інституті досліджень навколишнього середовища і ресурсів при Раді національної безпеки і оборони України та на кафедрі охорони праці і навколишнього
середовища Київського національного університету будівництва і архітектури Міністерства освіти
і науки України.
Науковий консультант: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Трофимчук Олександр Миколайович,
Інститут телекомунікацій і глобального інформаційного простору НАН України, заступник директора з наукової роботи
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Пирський Олексій Антонович,
Національний технічний університет України "КПІ",
професор кафедри інженерної екології
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Поляков Вадим Леонтійович,
Інститут гідромеханіки НАН України,
провідний науковий співробітник
доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Михайлов Юрій Олексійович,
Інститут гідротехніки і меліорації ААН України,
головний науковий співробітник
, Інститут кібернетики НАНУ, завідуючий відділом
Провідна установа: Український науково-дослідний інститут екологічних проблем
Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, м. ХарківМіжгалузевий науково-технічний центр “Укриття” НАН
Захист відбудеться “14” червня 200 4 р. о 14 год. на засіданні спеціалізованої
вченої ради Д 26.002.05 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, просп. Перемоги, 37, корп. 21, ауд. 209.
Автореферат розісланий “26” квітня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05
к. т. н. професор В.Я. Круглицька
Загальна характеристика роботи
Актуальність теми. Стан водних об’єктів і водозабірних басейнів України свідчить про те, що подальший розвиток господарства вже неможливий на базі традиційних екстенсивних методів використання водоресурсного потенціалу. Для досягнення балансу між попитом на воду і відновлювальною спроможністю водних об’єктів та забезпечення достатнього рівня національної і регіональної водної безпеки постає необхідність в наявності розвинутої науково-методичної бази надійного прогнозу їх стану.
Сучасні методики прогнозу дають змогу реалізувати тільки окремі варіанти кількісних оцінок рівня антропогенного навантаження на річкові басейни та стосуються вивчення стану поверхневих або підземних вод без урахування їх належної взаємодії. Із існуючих, найбільш розповсюджені поширені і ефективні методи прогнозу, основані на реалізації математичних моделей, які базуються на рівняннях математичної фізики і роблять такі прогнози працездатними тільки для окремих локальних ділянок області, що розглядаються, із-за складності їх математичного обґрунтування і розробок. Більш прості широко відомі концептуальні балансові моделі, що описують дані процеси, дозволяють отримати наближені кількісні оцінки і прогнозувати в цілому розвиток ситуації в регіоні. Але в практичних ситуаціях їх важко належним чином науково обґрунтувати та забезпечити необхідною інформацією, для збору якої потрібна розвинута мережа пунктів спостереження за санітарно-екологічним станом, як власне, самих поверхневих та підземних вод, так і відповідних територій з притаманними їм природними особливостями та рівнем розвитку соціально-екологічних структур.
Інформаційні моделі, які синтезуються за допомогою космічних знімків високої роздільної здатності та електронних карт місцевості і включають цифрові моделі її рельєфу набувають останнім часом все більшого застосування, але потребують подальших досліджень стосовно проблеми їх практичного застосування для оцінок і прогнозу якості поверхневих і особливо підземних вод в системах підтримки для прийняття управлінських рішень на регіональному та об’єктному рівнях.
Тому дослідження, пов’язані з розробкою науково обґрунтованої методики комплексного прогнозу екологічного стану річкових басейнів, тобто на значних територіях, в залежності від рівня сумарного антропогенного навантаження на них та рекомендацій по його регламентації, які дозволяють оцінити сучасний і прогнозувати необхідний рівень екологічної безпеки є важливою актуальною народногосподарською та науковою проблемою. При вирішенні цієї наукової проблеми, пов’язаної з вивченням процесів формування кількості і якості водних ресурсів в річкових басейнах в рамках басейнового принципу та регіональних особливостей одиниць адміністративного устрою України, стає потреба розробки теоретичного обґрунтування вказаних процесів з широким залученням фундаментальних основ системного аналізу, гідродинаміки поверхневих і підземних потоків в складних умовах і середовищах з врахуванням при цьому різних фізико-хімічних процесів, теорії геоінформаційних систем і т. ін. Таке теоретичне обґрунтування полягає в розробці більш надійних і адекватних моделей та методів оцінок та прогнозу екологічного стану річкових басейнів України. Реалізація таких моделей та методів різними математичними методами з залученням існуючих дослідних даних спостережень на реальних об’єктах дозволить створити надійну розрахункову базу в системі управління природокористуванням взагалі та особливо в умовах надзвичайних ситуацій на державному, регіональному та об’єктному рівнях.
Окреслена вище низка невирішених питань має важливе народногосподарське значення для функціонування та подальшого розвитку водних екосистем в Україні і свідчить про актуальність цієї проблеми, пов’язаної з забезпеченням достатнього рівня існування та екологічної безпеки річкових басейнів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні наукові результати дисертації реалізовано у проектах:
1. 1986–рр. Тема 0.04.02Д Удосконалити методи розрахунків і конструкції гідротехнічних споруд в складних ґрунтових умовах на набухаючих і випинаючих ґрунтах; № держреєстрації 01.87.004142.
. 1995–рр. Розробка рекомендацій по екологічному прогнозуванню стану водних об’єктів у залежності від рівня антропогенного навантаження, Наказ Держводгоспу України від 25.02.94 р. № 22, який розроблено згідно Постанови КМУ від 26.01.94 р. № 37 “Про комплексну програму проведення протипаводкових заходів на 1994-2000 рр.; № держреєстрації 0196U00315.
. 2002–рр. Моніторинг небезпечних природних явищ і техногенно небезпечних об’єктів України (Проект: Розробити тематичні карти районування території України по інтенсивності забруднення водних об’єктів поверхневим стоком); Моделювання техногенно-природних процесів і явищ для забезпечення екологічної безпеки об’єктів і територій України (в рамках науково-дослідної тематики Українського інституту досліджень навколишнього середовища і ресурсів, яка виконувалася за замовленням Ради національної безпеки і оборони України); № № держреєстрації 0103V006719, 0103V006720.
. 2003 р. Розробка теоретичних основ та методики космічного моніторингу поверхневих вод суші (в рамках науково-дослідної тематики Національного космічного агенства України); № держреєстрації 0102V001333/11.24667660.
. 1997–рр. Tacis, CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. Transboundary Water Quality Monitoring and Assessment.
6. 1997–рр. “Дослідження антропогенного навантаження на трансграничні річки Білорусі і України, стабілізація їх стану”. Сфера підтримки наукових досліджень. Фонд Сороса.
Мета і завдання досліджень. Мета дисертаційної роботи полягає в науковому обґрунтуванні і розробці на цій основі більш надійних і достовірних моделей та інженерних методів розрахунку прогнозу стану річкових басейнів України.
Для досягнення цієї мети необхідно вирішити наступні задачі з врахуванням факторів взаємодії поверхневих і підземних потоків:
- провести аналіз та узагальнення існуючих моделей і методів оцінок стану та прогнозу річкових екосистем в залежності від рівня антропогенного навантаження;
- визначити методичні передумови розв’язання проблеми і розробити концепцію комплексного підходу розробки прогнозу формування якості водних ресурсів річкових басейнів;
- обґрунтувати концепцію і реалізувати її із застосуванням ГІС-технологій при розробці картографічної моделі антропогенного навантаження на поверхневі води на місцевому та регіональному рівнях;
- провести аналіз складових формування поверхневого стоку з сільгоспугідь та урбанізованих територій, як фактору забруднення загальнодержавного і місцевого значень; розробити і реалізувати картографічну модель забруднення водних об’єктів дифузними джерелами;
- розробити математичне моделювання і методи розрахунку параметрів забруднення гідрографічної мережі в умовах надзвичайних ситуацій, обумовлених аварійними скидами стічних вод різного походження;
- скласти математичні моделі і розробити чисельні і аналітичні методи розрахунку режимів руху підземних вод в складних гідрогеологічних умовах, що обумовлюють і виступають основними чинниками забруднення водойм та водоносних горизонтів, особливо в районах хвостосховищ та складування твердих побутових відходів (ТПВ).
Об’єкт дослідження –річкові басейни України.
Предмет дослідження –наукове обґрунтування прогнозу екологічного стану річкових басейнів України.
Методи дослідження –методи системного аналізу, теорія ієрархічних систем, фізичне і математичне моделювання, сучасні інформаційні технології дистанційного зондування Землі з космосу та теорії геоінформаційних систем.
Наукова новизна отриманих результатів:
- отримано нові результати фундаментальних досліджень для розрахунків прогнозу екологічного стану річкових басейнів України в сучасних технічних умовах та інженерних методів його оцінки;
- складені концепція і системна модель прогнозу екологічного стану річкових басейнів під впливом антропогенного навантаження, яка дозволяє обґрунтувати достатній рівень їх екологічної безпеки;
- розроблені і реалізовані із застосуванням даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) та ГІС-технологій картографічні моделі оцінки антропогенного навантаження на поверхневі води на місцевому та регіональному рівнях;
- запропоновано новий клас інформаційних моделей і методів розрахунку, пов’язаних з вивченням процесів забруднення річкових басейнів поверхневим стоком з сільськогосподарських угідь та урбанізованих територій;
- розроблена більш досконала динамічна технологічна схема та автоматизована система для прийняття управлінських рішень при аварійних скидах стічних вод промисловими, комунальними та агропромисловими підприємствами;
- одержані гідродинамічні методи розрахунку режимів руху підземних вод в складних гідрогеологічних умовах з метою оцінки підтоплення і забруднення прилеглих територій та річкових басейнів, зокрема забруднення водоносних горизонтів за рахунок стічних вод, які поступають із різних відстійників та хвостосховищ.
Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність результатів досліджень полягає в тому, що на базі проведеного наукового аналізу існуючого стану проблеми, широкого використання методів фізичного і математичного моделювання створено методики розрахунку для розв’язку практично важливих задач по проблемі, яка розглядається, що дозволяє більш досконало обґрунтувати прийняття управлінських рішень і оцінити можливі ризики екологічної безпеки територій і акваторій.
Тематичні картографічні моделі: “Використання поверхневих вод Харківської області” та “Природоохоронна карта Полтавської області”, синтезовані в середовищі ГіС-платформи Arc-View і впроваджені в Територіальному Виробничому Об’єднанні (ТВО) “Харківкомунпромвод” і Державному управлінні екології та природних ресурсів Полтавської області. Остання картографічна модель була видана масовим тиражем –примірників і надіслана в місцеві органи самоврядування і заклади освіти. Інженерні методики розрахунків для оцінки стану водних об’єктів, забруднених ґрунтовими водами, були впроваджені в АО “Укргідропроект” для визначення кількості забруднень, які поступають в Кременчуцьке водосховище з полів фільтрації очисних споруд.
Рекомендації щодо поліпшення екологічного стану басейнів трансграничних річок, які розроблені на базі розрахунків нормативно-пошукового прогнозу по запропонованій в дисертації методиці були використані при розробці заходів по удосконаленню ведення моніторингових досліджень на трансграничних створах в рамках міжнародного проекту Tacis, CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. Transboundary Water Quality Monitoring and Assessment.
Особистий внесок автора. Основні наукові ідеї і положення теоретичних і експериментальних досліджень розроблені і сформульовані автором особисто. Виконано: обґрунтовані методичні підходи, концепція та системна модель прогнозу формування процесів забруднення річкових басейнів під впливом антропогенного навантаження; розроблені і реалізовані картографічні моделі забруднення водних об’єктів з використанням ДЗЗ і ГіС-технологій, зокрема дифузними джерелами забруднення; розроблена автоматизована система для прийняття рішень в умовах надзвичайних ситуацій, обумовлених аварійними скидами стічних вод різного походження; складені гідродинамічні моделі поверхневих і підземних потоків та обчислювальні алгоритми, методики розрахунку міграції забруднень підземним стоком з екранованих відстійників та хвостосховищ.
Апробація результатів досліджень. Результати, одержані на різних етапах роботи, доповідались на наукових семінарах, конференціях, симпозіумах. На деяких із них:
1. XVIII конференції придунайських країн “Hydro-gische Vorhersagen und Hydrologisch-wasser-wirtschaftliche Grund-lagen” (м.Грац, Австрія, 1996 р.).
. II, III, IV Міжнародних конгресах “Вода, экология, технология” (м. Москва, 1996, 1998, 2000 рр.).
. Міжнародних семінарах “1997 Tacis CBC Programme: Bug and Latorica/Urh. (м. Київ, 1998–рр.).
4. На IХ та Х Міжнародних науково-технічних конференціях “Екологія та здоров’я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів. (Щолкіно, 2001–рр.).
5. VII науково-технічній конференції-семінарі “Нові технології і практичне рішення екологічних проблем (м. Харків, 2001 р.).
6. Міжнародних семінарах по програмі SIDA “Ecology and environmentaltechnology” (м. Стокгольм, Швеція, 2001 р.).
. 62, 63 та 64 науково-технічних конференціях Київського національного університету будівництва і архітектури (м. Київ, 2001–рр.).
8. I-й і II-й міжнародних науково-практичних конференціях “Інформаційні технології управління екологічною безпекою, ресурсами та заходами у надзвичайних ситуаціях” (Крим, сел. Рибаче, 2002, 2003 рр.).
9. II науково-технічній конференції “Застосування GPS в Україні” (м. Харків, 2002 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 35 робіт, включаючи розділи в 2 монографіях, 20 публікацій в наукових журналах, збірниках наукових праць, що занесені у перелік видань, затверджених ВАКом України, 15 брошурах, роботах у матеріалах конференцій та роботах прикладної тематики.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 6 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Викладена на 340 сторінках, що включають 30 рисунків і 31 таблицю на 40 сторінках, 349 найменувань використаних джерел на 19 сторінках і 5 додатків на 23 сторінках.
У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовані її мета, задачі досліджень, наукова новизна, практична цінність отриманих результатів.
У першому розділі зроблено критичний аналіз відомих моделей і методів прогнозу процесів формування якості поверхневих і підземних потоків, описаних в роботах вітчизняних та зарубіжних авторів: В.М. Бєляєва, О.Ф. Васильєва, А.Б. Горстко, Е.В. Бруяцького, В.Я. Савенко, В.А. Большакова, С.А. Василенка, В.С. Дейнеки, І.А. Шеренкова, В.Б. Мокіна, Е.В. Єременко, В.Р.Лозанського, М.І. Желєзняка, О.Я. Олійника, В.Л.Полякова, В.С. Кремеза, А.В.Грищенко, О.М. Трофимчука, Г.Я. Красовського, І.А. Родзиллера, А.В. Яцика, І.Т. Прокопчука, А.М.Тугая, В.І. Лялько, О.А.Пирського, А.П. Нетюхайло, В.Е. Терновцева, О.І. Шишкіна, В.А. Петросова, О.Б. Стелі, Ю.О.Михайлова, T.R. Camp, B.A. O’Connor, W.E. Dobbins, D.M. McDowell, A. James, A. Jenkins, D. Kay, E.B. Phelps, W. Rodi, J. Wilkinson, M. Wyer, та ін. Визначено, що моделі міграції і трансформації забруднюючих речовин у водотоках можуть розв’язувати тільки певне коло задач: аналізувати більш прості процеси кінетики забруднюючих речовин у водотоках, прогнозувати трансформації забруднюючих речовин в їх взаємодії на короткому інтервалі часу і на визначеній ділянці водотоку. Ці розробки використовувались як основа для оперативного управління якістю води у відповідній системі управління, або як математичне забезпечення деяких задач у складі автоматизованих систем управління.
Проте, якщо ставити задачу довгострокового екологічного прогнозу стану річкових басейнів, як відмічається в роботах ряду авторів (П.І. Ковальчук, Є.П. Бочаров, Л.М. Бойчук та ін.), розглянуті методи можуть використовуватися тільки у сукупності з іншими методами, як окремі елементи в складних системах моделювання і прогнозу. Для розв’язання більш загальної задачі екологічного моделювання і прогнозу екологічного стану річкових басейнів необхідно застосовувати системні підходи та можливості сучасних інформаційних технологій.
Моделі регіонального рівня, що містять картографічні зображення водних об’єктів і джерел їх забруднення природного і техногенного походжень водокористувачів всіх рангів і елементів систем моніторингу із згаданими типами зв’язків по інформації, накопиченої в базах даних, отриманих контактними і дистанційними методами розглянуто в роботах С.О. Довгого, В.А. Петросова, Г.Я. Красовського, О.М. Трофимчука, О.Д. Федоровського, В.І. Лялька, Л.Д. Грекова, Є.П. Буравльова, О.В. Копійки, О.І. Сахацького, О.О. .Мазуркевича, В.С. Готиняна, В.В. Брука, В.М. Перерви, В.А. Прусова, Г.Ю. Верюжського, Ю.В. Костюченко, О.Т. Азімова, та ін. Такі моделі синтезуються ГІС-технологіями, які, в свою чергу, дають користувачу набір інструментів для аналізу і дозволяють встановити принципово нові закономірності, зв’язки і характеристики організації водокористування в регіоні.
Системний підхід в екологічному моделюванні, який направлений на координацію і інтеграцію використаних наукових методів, цілісне охоплення явищ, які вивчаються, і в той же час на поглиблене вивчення максимальної кількості факторів взаємодії і взаємозв’язку при вирішенні задач водокористування розглядався в роботах А.В. Яцика, В.С. Дейнеки, В.Б. Мокіна, Н.Н. Мойсеєва, Б.О. Акішина, R.J. Lathorp, T.M. Lillesand, B.S. Yandell та ін. авторів.
На основі проведеного в першому розділі аналізу зроблено висновок, що на сучасному етапі розвитку соціально-економічних відносин в Україні екологічне моделювання повинно перш за все задовольняти потреби суспільства в надійних оцінках антропогенного навантаження на річкові басейни, як в цілому, так і по певних їх підсистемах в рамках басейнового принципу та регіональних особливостей одиниць адміністративного устрою України. При цьому задачу екологічного прогнозу для річкових басейнів необхідно ставити як задачу соціо-екологічного прогнозу середньо- та довгострокових змін параметрів їх стану в умовах сучасних темпів антропогенного та техногенного тиску на них, зумовленого проблемами застарілого обладнання та можливостями існуючих очисних споруд. Із зазначеного витікає мета і задачі досліджень за темою дисертації.
У другому розділі на підставі проведеного аналізу та узагальнення існуючих теоретичних рішень і методів розрахунку задач по оцінці та формуванню якості водних ресурсів у часі визначені методичні передумови до розробки методики прогнозу процесів забруднення річкових басейнів, розроблені концептуальні основи системної моделі прогнозу екологічного їх стану в залежності від рівня антропогенного навантаження.
Модель прогнозу побудована за ієрархічним принципом і складається з нормативно-пошукового прогнозу окремих процесів по виділених підсистемах та нормативно-пошукового прогнозу стану водної екосистеми за екологічними критеріями в цілому.
Метою прогнозуючої системи є виконання двох основних операцій: формування множини альтернатив станів об’єкту прогнозу; вибір і порівняння цих альтернатив. При цьому повинні виконуватися принципи взаємопов’язаності і підпорядкованості прогнозів різних рівнів ієрархії об’єкту, зовнішнього середовища, різних аспектів розвитку об’єктів прогнозу; узгодженість пошукових і нормативних прогнозів; безперервність прогнозу, що вимагає їх корекції по мірі надходження нових даних.
Кожний процес, або кожна підсистема при цьому характеризується вектором
показників:
f = (f , f , ... , fn), y = (y , ... , ym), p = (p , p , ... , pn), g =(g , g , ... , gm), (1)
Значення кожного з яких визначається на основі прогнозу на вищому рівні ієрархії у вигляді фізичних, технологічних та інших характеристик. Множина альтернатив зображується вектором U=( U , ... , Un), компоненти якого можуть визначатись функцією інтегрального критерію:
(2)
В свою чергу, на основі експертного аналізу, вводиться монотонно-спадна та монотонно-зростаюча логічна функція (числової) міри : Ui → Ei, яка для i-го показника набирає вигляду:
(3)
де > > ... , або навпаки.
Щоб оцінити сукупну дію всіх показників fi підсистеми, тобто вести прогнозну оцінку по всій підсистемі, вводиться одна або кілька функцій екологічної міри:
Hi = H (X, X , …, Xn ) і [1; n], (4)
значення якої залежить від значень відповідної міри окремих локальних показників.
Для обчислення якісного стану підсистеми на основі міри Н та стану підсистеми, за допомогою експертних оцінок встановлюється відповідність:
: U H L (5)
де Li L –множина якісних станів підсистеми (альтернатив), що характеризують соціальну значимість стану підсистеми.
Для оцінки стану всієї підсистеми на множині альтернатив вводиться функція числової міри (Li ):
(6)
Таким чином, на кожному рівні оцінок (як за окремими критеріями так і їх комплексами) здійснюється кількісний та якісний прогноз за екологічними критеріями на основі формалізації і проведення прогнозної експертизи по кожній підсистемі і кожному процесу, в результаті чого проводиться нормативно-пошуковий прогноз екологічного стану конкретного річкового басейну (рис. 1).
ce
ca e0f2-
cd--
cc -
cd-e8 ed