Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования




Скачать 18.41 Kb.
НазваниеМетоды и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования
страница1/3
Дата04.02.2016
Размер18.41 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3

На правах рукописи




Фалейчик Лариса Михайловна


Методы и технологии для оценок экологического
состояния природно-технических систем
с использованием математического И
геоинформационного моделирования



Специальность 25.00.36 – Геоэкология


АВТОРЕФЕРАТ


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Чита – 2010

Работа выполнена в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СО РАН), ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»


Научный руководитель: доктор экономических наук, профессор

Глазырина Ирина Петровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Костромин Михаил Витальевич

кандидат технических наук

Федорова Наталья Владимировна


Ведущая организация: Институт вычислительной математики и
- математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск


Защита состоится «23» апреля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.02 при Читинском государственном университете (г. Чита, ул. Александрово-Заводская, д. 30, ЧитГУ, зал заседаний ученого совета)


Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:
672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ,
ученому секретарю совета Д 212.299.02


Факс: (3022) 41-64-44; E-mail: root@chitgu.ru


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Читинского государственного университета


Автореферат разослан « 22 » марта 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук Шарапов Н.М.

Общая характеристика работы

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.

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: №04-02-00182а «Динамика процессов природопользования и качество экономического роста природно-ресурсного региона», 2004-2006; №07-02-00056а «Воздействие инструментов государственного регулирования на экологическую модернизацию экономики», 2007-2009; № 08-02-12101в «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 котловина, 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 среду, основанная на использовании геоинформационных технологий в математическом 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;

  2. 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;

  3. 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:

  4. 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 атмосферы, 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».

Практическое значение, апробация и внедрение. Материалы работы вошли в научные монографии «Экология городского водоема» (1998), «Экологические индикаторы качества роста региональной экономики» (2005), Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Читинской области за 2004-2005 годы» (2007), в тематические сборники статей, в отчеты по хоз. договорам.

Методология численного моделирования и созданный программный комплекс использовались в исследованиях (совместно с А.А. Фалейчиком) мезометеорологических процессов и особенностей распространения загрязнений на территориях со сложным рельефом, таких как Чарская и Читино-Ингодинская котловины, для оценки антропогенного влияния на экосистемы рек Байкальского бассейна – Хилок и Баляга, в пределах Байкальской природной территории. Автор участвовала в работах по оценке возможных микроклиматических изменений в рамках экологических экспертиз таких крупных проектов как строительство Шилкинской и Катунской ГЭС.

Предложенные методология и алгоритм оценки влияния природно-технических систем на природную среду окружающих территорий применены в исследованиях, проводимых в рамках экологических экспертиз проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре (совместно с А.А. Фалейчиком и Э.А. Пьяновой). 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».

Результаты приведенных в диссертации исследований по моделированию атмосферных процессов в природно-технических системах Забайкальского края и Нижнего Приангарья могут быть использованы для принятия решений по планированию жилищной, промышленной и рекреационных инфраструктур, выбору технико-эксплуатационных параметров и режимов функционирования технических комплексов, при разработке и проведении различных природоохранных мероприятий.

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 и б) качества жизни населения Забайкальского края.

Разработанная технология оценки техногенного воздействия на природную среду использована в инженерно-экологических изысканиях и разработке системы экологического мониторинга к проекту создания транспортной инфраструктуры юго-востока Забайкальского края, проект ж.д. линии Нарын-Лугокан. 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. В конкурсе по природоохранной программе «The ESRI Conservation Program» компании ESRI, Inc., США, автор выиграла 2 гранта, по которым в 2003 и 2006 гг. были получены программные продукты компании ArcView 3.3 и ArcEditor 9.2 семейства ArcGIS с дополнительными модулями.

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,

  • 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 «Кулагинские чтения», 2006 – 2009, Чита.

Результаты исследований и опыт, приобретенный в процессе их выполнения, используются автором в учебном процессе и дипломном проектировании студентов специальности прикладная информатика в Читинском государственном университете.

Для решения поставленных задач были использованы
  1   2   3

Похожие:

Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования icon«Инжиниринг в электронике» Методы математического моделирования (Автор: к т. н., доцент Рябов Н. И.)
Целью курса является изучение основных идей и подходов, лежащих в основе современных методов математического моделирования физических...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconРабочая программа дисциплины основы математического моделирования в научных исследованиях од. А. 05 Специальность 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
Целью дисциплины является углубленное изучение принципов построения математических моделей различных классов при проведении научных...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconРабочая программа дисциплины статистические методы построения математических моделей и обработки экспериментальных данных од. А. 04 Специальность 05. 13. 18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ»
Целью дисциплины является углубленное изучение принципов математического моделирования систем на основе статистической информации...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconРабочая программа дисциплины модели и методы принятия решений фд. А. 01 Специальность 05. 13. 01 «Системный анализ, управление и обработка информации»
Целью дисциплины является углубленное изучение принципов принятия управленческих решений на основе математического моделирования...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconПрограмма методы экспертных оценок для направления 040200. 68 "Социология"
Шмерлинг Д. С., Дубровский С. А., Аржанова Т. Д., Френкел А. А. Экспертные оценки. Методы и применения (Обзор) // Уч. Зап по Статистике,...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconВопросы к экзамену Основные понятия, этапы и методы математического моделирования социально-экономических систем
Параметрическое программирование. Постановка и геометрическая интерпретация задачи. Графическое решение задачи
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconТехнология виртуальных полигонов для моделирования сложных технических объектов и систем
Технология виртуальных полигонов для моделирования сложных технических объектов и систем 2
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconРабочая программа учебной дисциплины «методы научных исследований технических и социально-экономических систем»
«Теория и математические методы системного анализа и управления в технических и социально-экономических системах»
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconМосковский энергетический институт (технический университет)
Помимо этого, при изучении теоретической механики вырабатываются навыки практического использования методов, предназначенных для...
Методы и технологии для оценок экологического состояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования iconМосковский энергетический институт (технический университет)
Помимо этого, при изучении теоретической механики вырабатываются навыки практического использования методов, предназначенных для...
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib2.znate.ru 2012
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница