Автор: доктор техн. наук, Большеротов А.Л.
При использовании данных материалов в любых целях, ссылка на автора обязательна.
Методы и условия обеспечения устойчивости экосистем системой ОЭБС
Анализ техногенных воздействий на экосистемы в рамках экологической оценки методом детерминированной «планетарной модели» включает в себя, как правило, два основных элемента: расчёт или прогноз их физической величины и оценку их значимости. Прогноз величины воздействий обычно осуществляется для различных компонентов окружающей среды с применением математических расчётов и специальных методов прогноза, таких, например, как математические модели . При этом важно, чтобы усилия экспертов были сосредоточены на расчёте и предсказании всех значимых воздействий, чтобы точность применяемых методов соответствовала задачам экологической оценки, и чтобы воздействия предсказывались в форме изменений в окружающей среде, а не просто описания факторов воздействия. Прогноз значимости воздействий осуществляется для соотнесения их друг с другом и с социально-экономическими факторами. Существует много методов оценки значимости, и их выбор зависит от требований технического задания, законодательства и конкретной ситуации. Но все они призваны для решения основной задачи системы оценки экологической безопасности строительства – обеспечение и поддержание устойчивости экосистем в безопасном состоянии.
Для этой цели в системе оценки экологической безопасности строительства необходим эффективный метод комплексной оценки состояния окружающей среды под техногенным воздействием строительства, учитывающий максимальное количество воздействующих факторов.
В качестве основных положений при разработке метода примем результаты предыдущих исследований, проведённых в данной работе.
В первую очередь, исходим из того, что экологические системы, где может вестись строительство, могут быть естественными и искусственными, у каждой их которых имеется свой критерий устойчивости и оценки экологической безопасности под воздействием строительства (см. глава V).
Для естественной экосистемы - это сохранение биотопа и обеспечение устойчивого состояния его биоценоза.
Для искусственной экосистемы, как правило, это экосистема урбанизированных территорий – городов, за единый критерий оценки примем устойчивое качество жизни человека и обеспечение его здоровья на высоком уровне.
В смешанных экосистемах, где ещё есть естественная природная среда и одновременно существует искусственная антропогенная среда, примем оба критерия устойчивого состояния для обеих экосистем.
Традиционный подход к оценке состояния окружающей среды основывается на расчёте показателей загрязнения или моделировании ситуации тем или иным способом. Конечная цель любого моделирования – это стремление наиболее точно оценить величину воздействия и наиболее точно определить последствия от этого воздействия. В любом случае это прогноз. Точность прогноза зависит от квалификации исследователей, применяемых методов и многих других факторов.
Некоторые виды прогнозных оценок могут вполне точно описать ситуацию в будущем. Например, если предполагается сведение лесного массива для целей строительства, то очевидно, что эту территорию покинет и животный мир. Если перегородить русло реки плотиной, то нарушится миграция водных биоресурсов и т.д.
Намного сложнее, когда в одном месте начинают действовать несколько разнонаправленных факторов, да ещё с неясным, неявным воздействием.
Также сложно оценить воздействия второго, третьего порядка, опосредованное воздействие, когда строительный объект, на первый взгляд, безопасен, а экологическая ситуация резко меняется в худшую сторону без явных причин.
Как было выяснено ранее в проведённых исследованиях (см. главу VI), одной из таких причин, резко изменяющей экологическую ситуацию, может быть высокая концентрация объектов строительства на единице территории, которая опосредованно ведёт к повышенному загрязнению воздуха, почвы, гидросферы, к ухудшению качества жизни людей, к ухудшению их здоровья, то есть к нарушению устойчивости данной искусственной экосистемы.
Из этого можно сделать вывод - какие бы методы оценки не применялись, результат может быть далёк от прогнозного и последствия могут быть самые неожиданные. В наиболее худшем сценарии негативные последствия проявляются в отдалённом будущем, когда уже ничего изменить нельзя. В частности, это очень актуально по отношению к здоровью человека, то есть его отдалённые реакции на воздействия сегодняшнего дня. Примеров таких отдалённых последствий можно привести достаточно много. Например, повышенный радиационный фон ведёт к мутации живых организмов через несколько поколений. Постоянный повышенный уровень шума приводит к сердечно-сосудистым заболеваниям. Психологическая неудовлетворённость качеством жизни, связанная с неудобствами от перенасыщенности территории элементами инфраструктуры, основными из которых являются строительные объекты, приводит к психосоматическим заболеваниям и т.д..
Многие современные технологии, активно внедряющиеся в нашу современную жизнь, также очевидно имеют отдалённые последствия для здоровья человека, для окружающей среды, которые мы не можем оценить из-за отсутствия необходимого опыта и знаний. Например, постоянное насыщение окружающей человека среды электромагнитным излучением, высокочастотным излучением, ультразвуковым и т.д. Все эти постоянно действующие излучения формируют среду, которая не является естественной, но в которой вынужден обитать человек с неясными отдалёнными последствиями для здоровья, так как очевидно, что существует уровень концентрации того же СВЧ излучения, при котором человеку небезопасно жить.
Строительство крупных офисных, торговых центров, где сосредоточено большое количество излучающей аппаратуры – мобильных телефонов, оргтехники, бытовых электроприборов, промышленных электроустановок, не учитывает фактор отдалённых последствий от длительного пребывания в среде интенсивного излучения работающих в них людей, влияния на их здоровье. Часто мы просто не знаем, что может быть из-за ограниченности знаний о природе явлений и отдалённой реакции на них человека и живой природы.
Поэтому, любая самая совершенная модель не даст полный ответ на вопрос о вреде человеку и живой природе от тех или иных воздействующих факторов. Мы можем только оценить воздействие отдельных факторов, тех, что изучены, о чём имеются знания [14]. Однако комплексное воздействие для природы и человека даже изученных факторов, тем более отдалённые последствия этого воздействия, остаются неизвестной величиной.
Любая оценка на сегодняшний день это только предварительный прогноз. Устойчивость экосистемы в условиях моделирования экологических процессов в ней при техногенном воздействии может обеспечить точность модели, точность прогноза, правильно применённые известные методы оценки экологической безопасности и устойчивости экосистем, своевременный мониторинг территории и наличие информационной базы данных о состоянии окружающей среды. Всё это невозможно без функционирования специализированной структуры по оценке экологической безопасности любого вида деятельности человека, в том числе и строительства.
Разработка системы оценки экологической безопасности, в частности строительства, может помочь более точно и своевременно следить за безопасностью строительства, за состоянием окружающей среды и за возможными отдалёнными последствиями и обеспечивать устойчивость экосистем.
Первым шагом в создании системы оценки была разработанная и описанная в данной работе (см. главу V) классификация уровней экологической безопасности для разных экосистем. Благодаря этому появились критерии отнесения экологической системы подверженной техногенному воздействию, в частности от строительства, к тому или иному уровню безопасности.
Вторым шагом была разработка методики оценки такого важного фактора, как степень концентрации строительства (см. главу VI), которая позволяет уже на стадии выбора площадки под строительство оценить экологическую безопасность нового строительства на выбранной территории и обеспечить, в итоге, устойчивость экосистемы.
Как было выявлено, степень концентрации строительства практически напрямую связана с состоянием экологии в месте застройки, с качеством жизни людей и с состоянием их здоровья.
Третьим шагом была разработка экологической парадигмы - детерминированной «планетарной модели» оценки воздействия строительного объекта на окружающую среду (см. главу VII). Причём, системность подхода к разработке метода, позволила оценить полное воздействие на окружающую среду строительного объекта не только в месте строительства, но и оценить все опосредованные воздействия на окружающую среду, связанные со строительством: от объектов поставщиков ресурсов, от объектов утилизирующих все отходы и загрязнения, от транспорта.
Четвёртым завершающим шагом, результатом проведённого анализа и исследований в данной работе, должна стать разработка методологии и метода функционирования системы ОЭБС, позволяющего непрерывно обеспечивать устойчивое состояние экосистемы, принимающей на себя техногенное воздействие строительного объекта.
Идея данного метода непрерывной оценки, предложенного в данной работе, состоит в перманентной оценке последствий от техногенного воздействия и удержания состояния естественной экосистемы в границах сбалансированного состояния через принятие мер оперативного реагирования на отклонения от нормы. А для искусственной экосистемы - удержания её состояния на безопасном для здоровья человека уровне.
Одним из условий реализации метода непрерывной оценки и обеспечения устойчивого состояния экосистем является экологическое нормирование, которое впервые предлагается в вести в практику экологической оценки. Экологическое нормирование – нормы техно- антропогенной нагрузки на окружающую среду, призвано ограничить антропогенные воздействия рамками адаптационных возможностей экосистем, и нацелено на оптимизацию использования возобновляемых природных ресурсов и воздействия человека на природу. В общем виде экологическое нормирование предусматривает:
- учет возможностей экосистемы к самоочищения, т.е. её резистентная и упругая устойчивость;
- определение наиболее уязвимых звеньев экосистемы;
- учёт наиболее значимых факторов воздействия;
- нормирование воздействий с учетом реакции на них экосистем.
Основным критерием при определении допустимой экологической нагрузки является отсутствие снижения качественных и количественных показателей естественных экосистем ниже порога безопасности (см. главу V), и обеспечение качества жизни и здоровья населения.
На основе проведённого в данной работе анализа, было определено, что при оценке адаптационных возможностей биосферы необходимо опираться на понятия устойчивости экосистемы и сохранении ее экологического резерва. Экологический резерв – это величина возобновляемых природных ресурсов, которые могут быть изъяты из экосистемы без непоправимого нарушения основных свойств окружающей среды. Оценка пределов допустимой нагрузки на экосистему (см. главу V) является важнейшей задачей непрерывной оценки на основе данных непрерывного мониторинга. При этом проблема регулирования и управления качеством природной среды опирается на экологическое прогнозирование и требует построения соответствующих математических моделей.
Математически модель может успешно выполнять свои функции при наличии доступа к банкам данных. Поэтому один из центральных блоков системы оценки экологической безопасности является информационный центр, куда стекается вся информация: прогнозная на этапе подготовки строительства и фактическая на этапе производства строительных работ и эксплуатации.
Одним их методов оценки экологической безопасности является построение количественных моделей - системы математических уравнений, призванных моделировать некоторый аспект действительности. Построенная количественная модель позволяет, изменяя начальные условия, выяснять, как при этом меняется конечный результат. Интерпретируя результаты математического моделирования, следует, однако помнить, что любая модель является упрощенным представлением реальности и основана на ряде предположений, которые могут делаться как при разработке, так и при использовании модели. Если сделанные предположения не соответствуют действительности, это может иметь существенное значение для точности и практической применимости полученных данных.
Использование количественных моделей может быть, например, при моделировании рассеяния веществ в воздухе, позволяющие предсказывать их концентрации в различных точках и динамику распространения, или при гидрологическом моделирование, позволяющем предсказать изменения в режиме водных объектов и т.д.
Моделирование применяется и для оценки биологических, социальных, демографических, экономических, физических, химических и прочих процессов в экологии.
Математическая модель приобретает практическое значение, когда установлено соответствие между математической моделью и фактическим состояние дел.
Смысл математического моделирования заключается в получении некоторого многомерного решения. Пусть, например, {y} – множество решений, которое может быть получено с помощью модели, а y – некоторое определенное решение, принадлежащее этому множеству. Тогда считаем, что для всех y может быть задана функция: q(y), которую назовём критерием (критерием качества, целевой функцией, функцией предпочтения, функцией полезности и т.п.), обладающая тем свойством, что если решение y1 предпочтительнее y2, то
q(y1) > q(y2). (Формула 1)
При этом выбор сводится к отысканию решения с наибольшим значением критериальной функции, то есть в статистике данных экологического мониторинга это степень отклонения расчетных значений от эмпирических данных, оцениваемая методом наименьших квадратов.
Однако в оценке экосистем необходимо решать, как правило, многокритериальные задачи из-за сложности процессов в природе, происходящих, в том числе, и под техногенным воздействием. Эти процессы могут быть различного происхождения и качественно отличаться друг от друга. Тем не менее, при всей сложности сложность моделируемой системы, конечное решение всегда должно отвечать принципу одномерности конечного решения, то есть иметь один целевой критерий.
Принцип одномерности конечного решения тесно связан с принципом рекуррентного оценивания, который должен быть одним из принципов функционировании системы оценки экологической безопасности строительства, который отражает иерархическую организацию моделей экосистем, то есть свойства и решения, получаемые для подсистем каждого уровня, оцениваются, исходя из свойств элементов нижестоящего уровня иерархии экосистем.
Многокритериальные задачи не имеют однозначного общего решения. Поэтому для решения таких задач необходимо использовать способы придания многокритериальной задаче вида, допускающего единственное общее решение. Для этого используем методы связанные с условной максимизацией или сведением многокритериальной задачи к однокритериальной путем ввода суперкритерия.
Для этого вводим суперкритерий, например, qо(y), как скалярную функцию векторного аргумента в пространстве решений
qо(y)= qо((q1(y), q2(y), …, qn(y)). (Формула 2)
Данный суперкритерий позволяет упорядочить частные решения по величине qо, выделив тем самым наилучшие из них по данному суперкритерию. Вид функции qо определяется тем, как ранжированы по значимости и каков вклад каждого критерия в суперкритерий.
Поэтому в решении многокритериальной задачи очень важным является обоснование данного вида ее постановки неформальными экспертными методами.
Альтернативой единственному обобщенному показателю является математический аппарат типа многокритериальной оптимизации – множества Парето и т.д.
Для целей экологического математического моделирования можно использовать и другие модели. Выбор модели осуществляем в зависимости от целей и поставленных критериев, например:
- природы моделируемого объекта (наземные, водные, космические, глобальные экосистемы и т.д.);
- уровня детализации модели (клетка, организм, популяция, биоценоз);
- используемого логического метода: от общего к частному - дедукция или от частного к общему – индукция;
- статического подхода или анализа динамики изменения состояний;
- используемой математической парадигмы (детерминированная и стохастическая).
Кроме того, исходя из целей, характера используемой информации выбираем методы математического моделирования: аналитические (априорные); имитационные (априорно-апостериорные) модели; эмпирико-статистические (апостериорные) модели; модели с элементами искусственного интеллекта (самоорганизация, эволюция, нейросетевые конструкции и т.д.).
Для математического описания, анализа и объяснения свойств или наблюдаемых явлений, присущих максимально широкому кругу экосистем используем аналитические модели. При моделировании эксперт определяет наиболее существенные компоненты экосистем и связи между ними, использует наиболее вероятные гипотезы о характере взаимодействия компонентов и структуры экосистемы.
Для построения имитаций экологической ситуации, для прогнозирования ситуаций и объяснения различных явлений используем максимально приближённые к конкретному экологическому объекту имитационные модели.
Эти модели позволяют всю моделируемую систему разбить на ряд подсистем, связанных между собой небольшим числом обобщенных взаимодействий и допускающих самостоятельное моделирование с использованием своего собственного математического аппарата. Такой подход позволяет также достаточно просто конструировать ситуацию с помощью ЭВМ, путем замены отдельных блоков на новые имитационные модели.
Для первичной обработки экспериментальной информации используем эмпирико-статистические модели. Эти модели позволяют:
- упорядочить или агрегировать экологическую информацию;
- выполнить количественную оценку;
- проверить достоверность различных гипотез о детерминированности наблюдаемых явлений и воздействующих факторов;
- идентифицировать параметры расчетных уравнений различного назначения.
- обосновать подходы к построению моделей других типов (в первую очередь, имитационных).
Для определения характера зависимости между факторами и результативными показателями (очевидная зависимость или стохастическая, прямая или обратная, прямолинейная или криволинейная и т.д.) используем теоретико-статистические критерии, практический опыт, способы сравнения параллельных и динамичных рядов, аналитические группировки исходной информации, графические методы и др.
В экологической оценке также используем логические методы и модели, реализуемые на основе искусственного интеллекта ЭВМ. Эффективность использования искусственного интеллекта обусловлена большой трудоёмкостью логических методов, например, при оценке методом «сети», когда требуется большой перебор вариантов построения.
Использование ЭВМ эффективно при использовании методов самоорганизации и эволюционного подхода в математическом моделировании, когда оценивается полезность улучшения качества системы при заложенных в базу данных исходной информации, механизма случайных мутаций, критерии отбора, списка переменных, критерии качества, формализующие цель оптимизации, и правила, по которым модель может изменяться (самоорганизовываться).
При моделировании очень сложных нелинейных зависимостей (лесорастительные свойств ландшафтных зон, моделирование гидро-экологических систем и т.д.), когда неизвестны данные о виде связей между исходными данными входа и результатами на выходе, используем метод структурного подхода и нейросетевого моделирования.
На вход нейронной сети подаём исходные данные и запускаем алгоритм обучения, который автоматически проанализирует структуру данных и генерирует зависимость между входом и выходом. Простейшая сеть имеет структуру многослойного персептрона с прямой передачей сигнала, которая характеризуется наиболее устойчивым поведением, представлена на рис. 1..
Входной слой служит для ввода значений исходных переменных, затем последовательно отрабатывают нейроны промежуточных и выходного слоев.
Каждый из скрытых и выходных нейронов, как правило, соединен со всеми элементами предыдущего слоя. В узлах сети активный нейрон вычисляет свое значение активации, беря взвешенную сумму выходов элементов предыдущего слоя и вычитая из нее пороговое значение. Затем значение активации преобразуется с помощью функции активации (или передаточной функции), и в результате получается выход нейрона. После того, как вся сеть отработает, выходные значения элементов последнего слоя принимаются за выход всей сети в целом.
Все выше описанные условия и методы функционирования системы ОЭБС являются необходимым инструментарием для решения задачи обеспечения экологической безопасности.
Выбор метода математического моделирования, метода обеспечения устойчивости системы строительный объект – окружающая среда (СО-ОС) зависит от конкретных условий реализации строительного проекта.
В одних случаях это может быть одним метод в другом случае комплекс различных методов.
Сложность механизма оценки экологической безопасности подтверждает необходимость профессионального подхода к данной проблеме и создания высокопрофессиональной системы ОЭБС, использующей все передовые достижения науки, техники для решения поставленной задачи. На рис. 2. предлагается примерная матрица математического моделирования для выбора условий и метода при оценке экологической безопасности строительства.
