Введение к работе
Актуальность работы. Решение экологических проблем сегодня становится приоритетным для обеспечения устойчивого развития промышленных территорий. Особенно это касается горнопромышленных регионов, где угледобывающим предприятиям и обслуживающим их производствам принадлежит первое место, прежде всего по твердым отходам. Современные масштабы ландшафтных и экологических изменений природной среды в горнопромышленных районах связаны с преобладанием открытого способа добычи полезных ископаемых. Ежегодно из извлекаемых горных масс около 2/3 объема идут в отходы в виде отвалов и хвостохранилищ обогатительных фабрик, большая часть которых в последующем не используется.
По выбросам вредных веществ в расчете на 1 км2 территории Тульская область превосходит Московскую в 1,7 раза, а Калужскую и Орловскую - более чем в 10 раз. Поскольку удельный вес Тульской области в добыче полезных ископаемых в пределах Подмосковного бассейна составлял 80 %, значительная часть территории области до сих пор подвержена мощнейшему техногенному воздействию отходов угледобывающего производства.
Перспективное развитие топливно-энергетического комплекса Тульской области с 2007 года предполагает разработку месторождений бурого угля в объеме 4 - 5 млн тонн в год. Поэтому необходимо совершенствовать природоохранные принципы управления жизнеобеспечивающими ресурсами региона и научно-методические основы информационной поддержки принятия решений по экологической безопасности хозяйственных проектов при реабилитации существующих «аномальных» антропогенных комплексов, возникающих в ходе разработок полезных ископаемых.
Необходимым элементом таких исследований является процедура моделирования, обеспечивающая поиск скрытых аналитических закономерностей в структуре геоэкологической информации как комплексе геохимических, ландшафтных, кадастровых и демопопуляционных данных.
Особенность анализа геохимических данных заключается в сложности учета всех факторов, влияющих на формирование полей загрязнения, и сбора территориально распределенной информации. В настоящее время не существует унифицированных программно-технических средств для специализированного геоэкологического анализа. Проблема заключается в отсутствии единой парадигмы построения теоретически обоснованных и хорошо согласующихся с реальными данными вычислительных моделей. В связи с этим специализированные методики и реализующие их программные средства, решающие узкие задачи, остаются в дальнейшем не востребованными.
Актуальность поставленной научной задачи определяется необходимостью объективной оценки и оперативной инвентаризации загрязнения почв горнопромышленных регионов в единой территориальной справочно-аналитической информационной системе мониторинга для управления геоэкологической ситуацией на различном уровне.
Целью работы является совершенствование методики оценки загрязнения почвенного покрова в зоне деятельности горнопромышленных предприятий на основе современных методов математического моделирования с применением геоинформационных технологий (ГИС).
Идея работы заключается в использовании аппарата нейронных сетей для моделирования пространственной неоднородности загрязнения почвенного покрова горнопромышленных регионов в геоинформационной оболочке с применением принципа дискретного зонирования территории.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем, состоят в следующем:
«мозаичность» геоэкологической картины загрязнения почв тяжелыми металлами горнопромышленных районов эффективно поддается комплексному анализу в геоинформационной оболочке на основе трехмерных моделей и структурных карт;
принцип дискретного зонирования исследуемой территории на основе пространственной дискретной сетки эффективен, когда количество существующих территориальных кластеров, в пределах которых наблюдается определенная специфическая картина формирования однородных полей загрязнения, превышает пространственную дискретность точек наблюдений.
анализ геоэкологической информации почв техногенного статуса в зоне деятельности угледобывающих предприятий представляет собой задачу восстановления пропусков в таблице экспериментальных данных и соответствующем пространственном слое геоинформационной системы;
регрессионные модели распределения загрязнителей, созданные методами нейросетевого моделирования, обеспечивают достоверный прогноз на основе неполной и разномасштабной экспериментальной информации, реализуя при этом единую методическую парадигму решения задач классификации и прогнозирования содержания тяжелых металлов в почве.
Новизна основных научных результатов:
сформулированы принципы построения пространственной базы данных мониторинга загрязнения почвенного покрова техногенного статуса и предложен комплекс программных средств, обеспечивающий эффективную обработку и анализ геохимических данных в геоинформационной оболочке;
получены базовые уравнения регрессии пространственного распределения тяжелых металлов (марганца и цинка) для построения слоя загрязнения почвенного покрова по всей территории г. Тулы.
предложены адаптированные нейросетевые математические модели для комплексного анализа загрязнения почв горнопромышленного региона тяжелыми металлами, инвариантные к смене шкал измерений и обеспечивающие более точный прогноз по сравнению с методами многомерного статистического анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
подтверждается: корректной постановкой задач исследования; обоснованным использованием различных математических методов и современных достижений в области программного обеспечения; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов полученных моделей с имеющимися экспериментальными данными; репрезентативным объемом данных почвенного мониторинга.
Практическое значение работы. Полученные результаты исследований после соответствующей адаптации могут быть использованы при разработке территориальной справочно-аналитической системы оценки загрязнения почвенного покрова угледобывающих регионов.
Разработанная структура геоинформационной аналитической системы мониторинга загрязнения почвенного покрова «ЭкоГИС» представляет собой прототип системы комплексной обработки геоэкологической информации, наиболее важным отличием которго является возможность конструирования экспертной системы самим специалистом-прикладником.
Предложенные нейросетевые модели реализуют единую вычислительную парадигму решения задач классификации и геоэкологического прогнозирования, являются принципиально расширяемыми и предполагают дальнейшее увеличение независимых признаков в исходном пространстве (климатических, демопопуляционных показателей и т.д.).
Разработанные авторские макеты карт загрязнения почвенного покрова г.Тулы марганцем и цинком, трехмерная модель исследуемой территории и 3D-паттерны распределения загрязнителей могут использоваться для построения интегральных карт структуры антропогенного загрязнения с целью выявления причинно-следственных связей между загрязнением различных компонентов природной среды в ходе разработок месторождений бурого угля.
Апробация работы. Научные положения и практические результаты диссертационной работы в целом и ее отдельные разделы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры, ежегодных научно-практических конференциях Тульского государственного университета, 1-й Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г.Тула, 2004 г.), 2-й и 3-й Международной геоэкологической конференции «Геоэкологические проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами» (г.Тула, 2005 - 2006 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения; изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц, 40 иллюстраций, список литературы из 61 наименования.
Автор диссертации выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору Басовой И.А. и к.т.н. Симурзину В.Н. за методическую помощь и ценные замечания.
Похожие диссертации на Совершенствование методики оценки загрязнения почв горнопромышленного региона тяжелыми металлами
