Сердюцкая Л.Ф., Яцишин А.В. Техногенная экология:
Математико-картографическое моделирование

Оглавление

Введение

Изменения окружающей среды под все возрастающим техногенным воздействием приобрели такие масштабы, что становятся реальной угрозой существованию как самой природы в целом, так и благополучию человечества как ее неотъемлемого элемента. Чернобыльская катастрофа также внесла свою лепту в ухудшение экологической обстановки на территории Украины, создав высокие риски для жизни населения по радиационному фактору. Кроме того, как свидетельствуют многочисленные санитарно-гигиенические данные, население значительной части Украины подвергается совместному влиянию радиоактивного и химического загрязнения, что приводит к усугублению их негативного воздействия.

Наличие огромных массивов разнородной информации по радиоэкологическим, токсикологическим и медико-экологическим исследованиям, проводимым после Чернобыльской катастрофы, без соответствующей обработки не позволяют выявить целостную картину взаимосвязи и взаимообусловленности факторов, под влиянием которых формируются негативные последствия для окружающей среды, биоты и человека. Еще более сложным и далеко не изученным остается вопрос о связи состояния здоровья населения с радиоэкологической ситуацией в месте проживания. Для оценки влияния радиоэкологического фактора на здоровье отдельных категорий населения необходимо сопоставить конкретные экологические условия проживания людей и показатели, определяющие реальное состояние здоровья, что также требует привлечения большого количества статистической информации.

Однако стремление к более точному описанию сложных экологических объектов приводит к увеличению количества учитываемых факторов и процессов, что затрудняет использование математических моделей и доказательство их адекватности. Анализ и прогнозирование по таким моделям выполняются с ошибкой, обусловленной как погрешностью используемых вычислительных методов, так и неточностью исходных данных, и эти ошибки могут приводить к катастрофическим неточностям в модельных прогнозах. Наличие даже в простых экологических моделях таких неточностей может привести к проявлению динамического хаоса.

Отметим основные ограничения практического использования математического моделирования экологических систем, подверженных техногенным нагрузкам:

1. Недостаточность или малая достоверность исходной информации, используемой для решения многих важных, в том числе системных экологических задач.

2. Представление всей исходной информации как строго однозначной (детерминированной), не зависящей от временного периода изучения систем. Такое представление информации создает ошибочное мнение о том, что: "все можно сосчитать, и притом с фантастической точностью"; из данного состояния системы всегда можно однозначно определить ее будущее состояние; модель всегда тем лучше, чем она более подробна.

Разработка специальных методов и средств математического моделирования систем с такими сложными многомерными характеристиками объектов, как экологические, является необходимым условием для глубокого исследования структуры системы, как единства компонентов и связей, а также для осуществления контроля над сложной экологической обстановкой при одновременном учете огромного количества разнородных параметров, оценки степени риска для здоровья населения и принятия обоснованных решений для его минимизации.

Перечисленный круг вопросов предлагается рассмотреть в рамках нового научного направления – техногенной экологии, которое развивается в предлагаемой монографии.

В главе 1 рассмотрены основные проблемы техногенного влияния на окружающую среду, включая человека; описаны существующие методы системного анализа натурных (мониторинговых) данных; рассмотрены основные проблемы математического моделирования экологических процессов при воздействии техногенных нагрузок. Предложен универсальный подход к анализу рисков, позволяющий строить интегральные оценки экологического и медицинского риска на основе многомерных экологических индексов с учетом динамики поражающих факторов в разных звеньях экосистемы.

В главе 2 изложены основные методы анализа данных для оценки экологических последствий техногенных нагрузок. Предлагается многоуровневый подход к анализу информации (натурной и модельной), связанный с разработкой моделей визуализации на каждом уровне анализа и интерпретации данных.

В главе 3 рассматриваются основные методологические подходы к разработке структур натурных данных для моделей визуализации 1-го уровня (сбор, хранение, первичная обработка с визуальным анализом). Разработаны структуры баз данных (как моделей визуализации 1-го уровня): радиоэкологического загрязнения регионов влияния ЧАЭС – Житомирской области (1985–1993), Зоны отчуждения (1986–1989), загрязнения воздушного бассейна ряда промышленных городов Украины (1986–1995), заболеваний по всей Украине, связанных с ухудшением экологического состояния (до и после аварии) в регионах влияния ЧАЭС, заболеваемости и детской смертности Хмельницкой области (1989–2000).

В главе 4 изложены вопросы проектирования и реализации компьютерной системы визуализации экологического загрязнения на примере Житомирской области. В разработанной автоматизированной системе визуализации реализованы функции накопления информации о факторах, влияющих на природную среду, реакции биологической системы на их воздействие, оценки фактического состояния окружающей среды и прогнозирование его развития.

В главе 5 рассматриваются основные этапы построения базовой математической модели переноса радионуклидов в агроэкосистемах на основе камерных моделей. Проведен качественный анализ этой модели и автоматизирована процедура расчета содержания переноса радионуклидов в отдельных ее составляющих с помощью математической программной среды MATLAB 7. Разработаны оптимизационные модели, минимизирующие коллективные дозы населения в зависимости от производства продуктов, транспортных потоков и рациона.

В главе 6 рассматривается новое направление в математической экологии – математико-картографическое моделирование (МКМ), под которым понимается органическое комплексирование математических и картографических моделей в системе "создание – использование" карт с целью получения новых знаний или анализа тематического содержания карт. Предложен алгоритм расчета пространственно-распределенных коэффициентов корреляций между модельными прогнозными величинами и характеристиками состояния здоровья населения на примере Житомирской области. Разработана архитектура программного комплекса на основе существующего программного обеспечения автоматизации построения и численного анализа математической модели для прогноза радиоэкологических ситуаций территориально-распределенных объектов с помощью изолинейного моделирования путем интеграции программных сред MATLAB 7 и Surfer 8.

Об авторах

До конца своих дней возглавляла тематическую группу "Экологического анализа и прогноза" отдела N 7 Института проблем моделирования в энергетике им. Г. Е. Пухова Национальной академии наук Украины (ИПМЭ им. Г. Е. Пухова НАНУ). Ведущий научный сотрудник, доктор технических наук. В 1974 г. закончила с красным дипломом механико-математический факультет Киевского государственного университета им. Т. Г. Шевченко. В 1984 г. защитила кандидатскую диссертацию, а в 2004 г. – докторскую диссертацию на тему "Математическое моделирование влияния техногенных нагрузок на экологические системы" (специальность 01.05.02 – "математическое моделирование и вычислительные методы") в ИПМЭ им. Г. Е. Пухова НАНУ. Автор 80 научных печатных трудов и одной монографии.

Андрей Васильевич ЯЦИШИН

В 2002 г. закончил радиофизический факультет Киевского национального университета им. Т. Г. Шевченко. В 2005 г. закончил аспирантуру в ИПМЭ им. Г. Е. Пухова НАНУ (научный руководитель – Л. Ф. Сердюцкая) и защитил кандидатскую диссертацию на тему "Математическое моделирование радиоэкологического состояния территориально-распределенных объектов на примере Житомирской области" (специальность 01.05.02 – "математическое моделирование и вычислительные методы"). В настоящее время возглавляет тематическую группу "Экологического анализа и прогноза" отдела N 7 ИПМЭ им. Г. Е. Пухова НАНУ. Автор 20 научных печатных трудов.