Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ и разработка концепции представления и интегральной оценки природно-техногеннои опасности территориальных систем на основе геоинформационных моделей и методов 14
1.1. Анализ состояния исследований в области оценки степени подверженности территориальных систем опасным природно-техногенным процессам 14
1.2. Анализ и определение геотаксона, как основного элемента структурирования территориальных систем, представления и анализа геоинформации об их подверженности опасным природно-техногенным процессам 27
1.3. Анализ и формирование системы параметров, определяющих степень природно-техногеннои опасности территориальных систем 31
1.4. Анализ влияния конфигураций воздействующих на геотаксон опасных природно-техногенных процессов на интегральный показатель показатель опасности 37
1.5. Анализ влияния погрешностей идентификации характеристик опасных природно-техногенных процессов и узлов геотаксона на значения интегральных показателей природно-техногеннои опасности 43
1.6. Анализ влияния количества узлов сетки на значения интегрального показателя природно-техногеннои опасности геотаксона...47
1.7. Анализ учёта временной составляющей при определении интегрального показателя природно-техногеннои опасности территориальной системы: методические, терминологические и технологические аспекты 55
Глава 2. Анализ влияния количества и характеристик опасных природно-техногенных процессов, воздействующих на геотаксон, на его интегральный показатель природно-техногеннои опасности 63
2.1. Анализ влияния количества опасных природно-техногенных процессов, их характеристик, конфигураций воздействия на интегральный показатель природно-техногеннои опасности геотаксона при условии равенства площадей воздействия 63
2.2. Анализ влияния количества опасных природно-техногенных процессов, их характеристик, площадей и конфигураций воздействия на интегральный показатель природно-техногеннои опасности геотаксона 77
Глава 3. Теоретические и методические основы сравнения территориальных систем по степени их подверженности опасным природно-техногенным процессам 115
3.1. Методические основы определения интегральных показателей природно-техногеннои опасности территориальных систем, состоящих из определённого количества геотаксонов, и их сравнения по степени опасности в рамках матричной геоинформационной модели 115
3.2. Теоретический анализ сравнения интегральных показателей природно-техногеннои опасности двух территориальных систем, состоящих из двух геотаксонов каждая 120
3.3. Теоретический анализ сравнения интегральных показателей природно-техногеннои опасности территориальных систем, состоящих из трёх гетаксонов каждая 142
Глава 4. Теоретический анализ и результаты геомоделирования в задаче сравнения территориальных систем по степени их подверженности опасным природно-техногенным процессам 172
4.1. Анализ влияния значений и соотношений между характеристиками геотаксонов, составляющих территориальные системы, на результаты их сравнения по степени подверженности опасным природно-техногенным процессам: теоретические обоснования и результаты численного геомоделирования для территориальных систем, состоящих из трёх геотаксонов 172
4.2. Обобщающий анализ результатов численного геомоделирования и сравнения территориальных систем, состоящих из трёх геотаксонов, по степени их подверженности опасным природно-техногенным процессам 240
4.3. Элементы анализа сравнения по степени подверженности опасным природно-техногенным процессам территориальных систем, состоящих из более чем трех геотаксонов. Терминологические аспекты решения задачи сравнения территориальных систем 246
Глава 5. Интегральные оценки природно-техногенной опасности реальных территориальных систем (на примере Кабардино- Балкарской Республики) 251
5.1. Анализ подверженности территории Кабардино-Балкарской Республики опасным природно-техногенным процессам 251
5.2. Определение интегральных показателей природно-техногенной опасности реальных территориальных систем Кабардино-Балкарской Республики 257
5.3. Сравнение реальных территориальных систем Кабардино-Балкарской Республики по степени подверженности опасным природно-техногенным процессам 280
Заключение 292
Литература 295
Приложения 313
- Анализ и определение геотаксона, как основного элемента структурирования территориальных систем, представления и анализа геоинформации об их подверженности опасным природно-техногенным процессам
- Анализ влияния количества опасных природно-техногенных процессов, их характеристик, площадей и конфигураций воздействия на интегральный показатель природно-техногеннои опасности геотаксона
- Теоретический анализ сравнения интегральных показателей природно-техногеннои опасности двух территориальных систем, состоящих из двух геотаксонов каждая
- Обобщающий анализ результатов численного геомоделирования и сравнения территориальных систем, состоящих из трёх геотаксонов, по степени их подверженности опасным природно-техногенным процессам
Введение к работе
Первое же десятилетие XXI века наглядно подтвердило прогнозы специалистов в отношении серьёзной активизации, в том числе на территории России, опасных природных процессов, все чаще приобретающих характер катастроф. Среднегодичное количество катастроф уже в последнее десятилетие XX века достигло 288 в год, в то время как в предыдущие 10 лет оно составляло 110-130. Стремительными темпами продолжают расти экономические потери от природных катастроф. Например, за 35 лет (с середины 60-х годов до конца XX века) экономические потери от природных катастроф в мире увеличились в 74 раза. И это по отношению только к семи природным опасностям.
Рост землетрясений в районах добычи нефти и газа, бесконтрольный забор подземных вод приводят к опусканию огромных территорий, при этом возможна активизация карстово-суффозионных процессов. Значительными темпами растут подтопляемые площади, они отмечаются в 90% крупных российских городов. Всё чаще практически бессистемная, не опирающаяся на научное обоснование, застройка особенно крупных городов в районах, потенциально подверженных опасным природным процессам, неизбежно приводит к активизации опасных природных процессов и, как следствие, к катастрофам уже не только природного, но и природно-техногенного характера, учитывая взаимосвязь природных и техногенных систем. При этом изначально значительное число городов России подвержено наводнениям (746 городов), оползням и обвалам (725 городов), землетрясениям (103), смерчам (500), лавинам (5), селям (9), цунами (9). Именно на города приходятся наибольшие социальные и материальные потери.
В России по последним отечественным экспертным оценкам суммарная величина ежегодных материальных ущербов от природных катастрофических явлений составляет сумму в 22-27 млрд $.
Одновременно в России растёт число техногенных катастроф и это несмотря на беспрецедентное для мирного времени, при отсутствии революций, природных катастроф и эпидемий в масштабах страны, при изобилии ресурсов, падение производства. Чрезвычайные ситуации техногенного характера практически стали регулярными и ежедневно происходящими на территории страны. Аварии систем жизнеобеспечения, на угольных шахтах, масштабные пожары, аварии в энергетических системах стали обыденным явлением. Обоснованно можно говорить, что Россия уже вошла в период крупных аварий и техногенных катастроф.
На Всемирной конференции по природным катастрофам в мае 1994 г. в Иокогаме (Япония) была принята Декларация, в которой сказано, что «борьба за уменьшение ущербов от природных катастроф должна быть важным элементом государственной стратегии всех стран в достижении устойчивого развития». Однако, как отмечалось на конференции в Иокогаме и практически повсеместно исследователями проблемы подверженности тер-
риториальных систем (ТС) опасным природно-техногенным процессам (ОПТП), до сих пор преобладающей, в том числе и в России, является практика ликвидации последствий ОПТП, хотя очевидно, что необходима реализация государственной стратегии, опирающейся на научно обоснованные концепции оценки состояния территориальных систем с точки зрения их подверженности ОПТП, прогноза возможных сценариев развития ОПТП на данной территории, и, исходя из этого, предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций, обусловленных ОПТП. Как показывает международный опыт, затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к природным событиям чрезвычайного характера до 15 раз меньше по сравнению с предотвращенным ущербом.
Проведенный анализ в области исследований подверженности территориальных систем опасным природно-техногенным процессам позволяет констатировать отсутствие в настоящее время в РФ общепринятой целостной концептуальной модели, включающей в себя основные смыслообразую-шие понятия, принципы и методы представления и анализа геоинформации об опасных природно-техногенных процессах, геоинформационные модели интегральной оценки природно-техногенной опасности территориальных систем и их сравнения по степени подверженности ОПТП с учётом синер-гетических эффектов. Как в отечественной, так и зарубежной литературе к настоящему времени отсутствует и само понятие интегрального показателя (оценки) природно-техногенной опасности территориальной системы (геосистемы) (ИППТОТС).
Практически вся имеющаяся на сегодняшний день информация о подверженности территорий ОПТП представлена в виде карт для отдельных видов опасностей или атласов достаточно мелкого масштаба, имеющих обзорный характер и отражающих по многим видам опасностей просто сам факт её наличия или отсутствия на территории России, по сути, без возможности их использования для решения практических задач, в том числе сравнения нескольких произвольных территориальных систем по степени их подверженности совокупности ОПТП с учётом синергетических эффектов.
Таким образом, проблемная ситуация, сложившаяся в области оценки состояния территориальных систем с точки зрения их подверженности опасным природно-техногенным процессам определяется системной нерешённостью концептуальных, теоретических и методических вопросов представления, анализа и интегральной оценки природно-техногенной опасности ТС, создавая противоречие между необходимостью проведения анализа состояния различных ТС в целях предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций, обусловленных воздействием на территориальные системы ОПТП, повышения безопасности существующих и вновь создаваемых ТС, обеспечении информацией и поддержке при этом принятия управленческих решений, с одной стороны, и отсутствием адекватного научно-методического обеспечения с другой.
Создание целостной концептуальной модели интегральной оценки степени подверженности территориальных систем совокупности опасных при-
родно-техногенных процессов на основе комплексного анализа и единых методологических позиций позволит получить новые научные результаты, направленные на преодоление проблемной ситуации.
Объектом исследования являются природные, техногенные, природно-
техногенные и другие территориальные системы (геосистемы), подвержен
ные совместному воздействию совокупности опасных природно-
техногенных процессов с присущими им характеристиками.
Предметом исследования являются принципы, геоинформационные
модели и методы представления, анализа пространственно-
координированных и временных параметров опасных природно-
техногенных процессов, синергетического интегрального оценивания степени их воздействия на территориальные системы.
Цель диссертационной работы состоит в решении научной проблемы, заключающейся в разработке целостной концептуальной модели представления, обработки и анализа геоинформации в целях интегральной оценки степени подверженности территориальных систем совокупности опасных природно-техногенных процессов, что позволит разрешить противоречие между необходимостью проведения анализа состояния различных территориальных систем в целях предотвращения возникновения чрезвычайных ситуаций, обусловленных воздействием на ТС ОПТП, повышения безопасности существующих и вновь создаваемых ТС, обеспечении информацией и поддержке при этом принятия управленческих решений, с одной стороны, и отсутствием адекватного научно-методического обеспечения с другой.
Основными задачами диссертационного исследования являлись:
разработка концептуальных положений геомодельного структурирования территориальных систем, представления и интегральной оценки опасных природно-техногенных процессов в геосистемах; определение физического параметра - показателя опасности природно-техногенных процессов или их совокупности;
разработка матричной (векторной) геоинформационной модели синергети-ческой интегральной оценки природно-техногенной опасности геотаксона; исследование методических вопросов реализации модели;
разработка методики учёта временной составляющей при исследовании подверженности территориальных систем совокупности опасных природно-техногенных процессов:
разработка методики и проведение теоретического анализа и геомодельных численных экспериментов по исследованию влияния количества, характеристик опасных природно-техногенных процессов, их площадей и конфигураций воздействия на интегральный показатель природно-техногенной опасности территориальной системы;
разработка методики определения интегральных показателей природно-
техногенной опасности территориальных систем, состоящих из определённо
го количества геотаксонов, в рамках матричной (векторной) геоинформа
ционной модели;
разработка метода, проведение теоретического анализа и модельных численных экспериментов в рамках исследования проблемы сравнения территориальных систем по степени их подверженности совокупности опасных природно-техногенных процессов;
анализ подверженности реальных геосистем совокупности опасных приро дно-техногенных процессов (на примере Кабардино-Балкарской Республики) на основе разработанных геоинформационных моделей и методов.
При проведении исследований использовались методы системного анализа, геоинформационного моделирования, математического анализа.
Основные научные положения, выносимые на защиту: 1.Концепция представления и интегральной оценки опасных природно-техногенных процессов в геосистемах.
-
Матричная (векторная) геоинформационная модель синергетической интегральной оценки природно-техногенной опасности геотаксона.
-
Методика анализа влияния на интегральный показатель природно-техногенной опасности геотаксона количества опасных природно-техногенных процессов, их характеристик, площадей и конфигураций воздействия.
-
Методика определения интегральных показателей природно-техногенной опасности территориальных систем, состоящих из определённого количества геотаксонов, и их сравнения по степени подверженности совокупности опасных природно-техногенных процессов.
-
Синергетические интегральные оценки подверженности реальных геосистем совокупности опасных природно-техногенных процессов (на примере Кабардино - Балкарской Республики).
Научная новизна исследования
1. Концепция представления и интегральной оценки опасных природно-
техногенных процессов в геосистемах, основывающаяся на анализе опреде
лённой площади земной поверхности - геотаксона (либо геосистемы в целом,
либо её части), подвергающегося воздействию совокупности опасных при
родно-техногенных процессов, степень опасности которых определяется
проявлением их характеристик в данное время, в данном месте, и определе
нии интегральных значений природно-техногенной опасности посредством
перехода от непрерывной формы представления геоинформации к дискрет
ной в конкретных точка геотаксона для конкретной совокупности ОПТП, что
обеспечивает адекватность анализа реальным особенностям проявления
ОПТП в геосистеме, позволяет решать задачу интегральной оценки опасно
сти на любых необходимых масштабах.
-
Матричная (векторная) геоинформационная модель синергетической интегральной оценки природно-техногенной опасности геотаксона, обеспечивающая возможность анализа геотаксонов любых размеров, учёт одновременного воздействия на них нескольких ОПТП, получение численных оценок, как для отдельных опасных процессов, так и любой их любой совокупности.
-
Методика анализа влияния на нтегральный показатель природно - техногенной опасности геотаксона количества опасных природно-техногенных
процессов, их характеристик, площадей и конфигурации воздействия, основанная на применении матричной геоинформационной модели, обеспечивающая возможность комплексного учёта параметров, определяющих значения интегральных показателей природно-техногенной опасности геотаксона (ИППТОГ) и позволяющая анализировать эффективность и адекватность используемых математических выражений для оценки опасности. 4. Методика определения интегральных показателей природно-техногенной опасности территориальных систем, состоящих из определённого количества геотаксонов и сравнения территориальных систем по степени их подверженности совокупности опасных природно-техногенных процесов, обеспечивающие в рамках матричной (векторной) геоинформационной модели генерализацию интегральных оценок опасности при переходе от анализа геотаксонов, составляющих геосистему, к анализу всей геосистемы и корректное решение задачи сравнения геосистем, в том числе при возникновении элементов неопределённости, обусловленных особенностями представления интегральных оценок.
5.Синергетические интегральные оценки подверженности реальных геосистем совокупности опасных природно-техногенных процессов (на примере Кабардино - Балкарской Республики), обеспечивающие, в том числе, проведение анализа их состояния с точки зрения повышения безопасности существующих и вновь создаваемых ТС.
Теоретическая и практическая значимость работы На основе результатов проведенных исследований возможна постановка и решение теоретических задач исследования подверженности территориальных систем совокупности опасных природно-техногенных процессов и практических задач определения численных значений интегральных показателей природно-техногенной опасности территориальных систем любого уровня детализации. Разработанные геоинформационные модели и методы, технологические схемы могут быть использованы для создания систем геоинформационного обеспечения МЧС, других заинтересованных органов исполнительной власти РФ; создания ГИС управления рисками природно-техногенной опасности различных территориальных систем (природных, антропогенных, природно-технических, рекреационных и т.д.); проведения экспертиз подверженности ОПТП существующих и планируемых к строительству объектов.
Методические разработки и технологические схемы определения интегральных показателей природной опасности внедрены в научно-исследовательскую и экспертную деятельность Высокогорного геофизического института Росгидромета.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертации, обеспечена использованием системного подхода при изучении объекта исследований; корректностью постановки задач и применением строгих математических методов их решения; полнотой учёта совокупности и характера факторов, влияющих на интегральные оценки степени подверженности территориальных систем ОПТП;
общностью и полнотой представленных геоинформационных моделей, методов представления, анализа и интегральной оценки природно-техногенной опасности территориальных систем, позволяющих на единой методологической основе решать задачи любого уровня детализации; практической реализацией разработанных геоинформационных моделей и методов для анализа реальных территориальных систем Кабардино-Балкарской Республики - полученные результаты при этом адекватно отобразили природные и техногенные особенности ТС, подверженных воздействию совокупности ОПТП, и подтвердили на практике ряд теоретических положений, представленных в работе.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы и отдельные её части докладывались и обсуждались на:
III и IV Всероссийских симпозиумах «Математическое моделирование и компьютерные технологии» (Кисловодск, 1999 г.,2000 г.); Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование в научных исследованиях» (Ставрополь, 2000 г.); I и II Всероссийских конференциях «Проблемы информатизации регионального управления» (Нальчик, 2001 г., 2006 г.); Международной научной конференции «Моделирование региональных экономических и медико-экологических процессов» (Нальчик, 2002г.); Международной научной конференции «Системные исследования современного состояния и пути развития Юга России» (Ростов-на-Дону, 2006 г.); II и III Международных конференциях «Моделирование устойчивого регионального развития» (Нальчик, 2007 г., 2009г.); VII Научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (п.Красная Поляна, 2007 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы информатизации общества» (Нальчик, 2008 г.); IX Научно-практической конференции «Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций» (Москва, 2009 г.). Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в трёх монографиях, 31 научном труде, включая 11 работ в журналах, входящих в Перечень ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Структура и объём работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём диссертационной работы составляет 324 страницы, включая 37 рисунков, 122 таблицы, 7 приложений. Список литературы содержит 162 наименования на 18 страницах.
Анализ и определение геотаксона, как основного элемента структурирования территориальных систем, представления и анализа геоинформации об их подверженности опасным природно-техногенным процессам
Как правило, для ОПТП имеет место порой неразрывная синергетическая связь, приводящая к взаимоусилению негативного влияния этих процессов. Например, такой опасный природный процесс, как землетрясение, однозначно приведет к активизации оползневой, карстовой опасности, что в свою очередь может привести к развитию наводнений, селей и т.п. Достаточно детальные таблицы, описывающие некоторые синергетические эффекты формирования и трансформации природных рисков в различных сферах жизнедеятельности, приведены в [7, 103 - 105,106]. Отметим, что взаимообусловливающий синер-гетический эффект при развитии ОПТП различных генетических типов процессов может приобретать катастрофический характер, хотя проявление самого первого из ОПТП могло и не представлять серьезной, катастрофической опасности.
Если с оценкой риска синергетического проявления ОПТП ситуацию можно считать более или менее ясной, логически понятной и описанной в ряде работ [напр., 64, 104], где понятие, например, природного экономического риска напрямую ассоциировано с реальным (или вероятным) ущербом и при этом сумма дифференцированных рисков от всех генетических типов опасностей, воздействующих на объект (объекты), определяет интегральный (суммированный) риск прямых потерь в физической, экономической, социальной или экологической сферах их фиксации, то, как это и отмечалось выше, вопрос об интегральных показателях природно-техногенной опасности территориальных систем не только не исследовался с различных сторон, но и не ставился как таковой.
Именно это, в том числе, отмечается в соответствующих работах [напр., 3, 7, 62 - 64, 107 — 109]. Однако отметим два метода геоэкологического оценочного районирования по степени геологических опасностей [109] для мелкомасштабных и обзорных карт и использовании качественных (сравнительных) характеристик: либо оценки опасности территориальной единицы определяются суммированием баллов, оценивающих каждый опасный процесс по отдельно-, сти, либо только по максимальному баллу, характеризующему один наиболее опасный процесс. Как отмечено в [109], каждый из этих вариантов имеет свои недостатки, так как в первом случае велика субъективность оценок, а во втором - не используется вся полнота полученной информации [110]. Известны единичные попытки реализовать указанные методики на практике для определения численного показателя, отражающего степень подверженности территории ОПТП, и учесть при этом синергетические эффекты [напр., 111]. При этом авторами не учитывались площадные эффекты и временная составляющая. Различные же шкалы отдельно для природных и техногенных процессов не позволяют считать подобную попытку учёта синергетических эффектов достаточно корректной. Требуется введение единой шкалы степени опасности как для природных, так и техногенных процессов, методов учёта площадных эффектов и временной составляющей, терминологическое уточнение получаемых при этом результатов.
Как уже отмечено, большинство существующих карт различных видов опасности имеют обзорный характер, что, вообще говоря, является недостаточно информативным и делает их малопригодными для решения конкретных задач в практике освоения конкретных территорий. Непонятно при этом так же, как, в принципе, сравнить несколько произвольных территориальных систем по степени их подверженности совокупности ОПТП с учётом синергетического эффекта (например, в методике ПТРТ).
Поэтому полагаем, что задача должна решаться с позиции «определённая реальная территориальная система — интегральная оценка её опасности». При этом на анализируемый объект исследования не должны накладываться какие-то дополнительные условия, связанные, например, с однородностью каких-либо признаков. Очевидно также и другое - методы должны позволять работать (без принципиальных изменений) на любых масштабах в зависимости от стоящей задачи.
Несмотря на интенсивное развитие и признанные достижения отечественных исследователей в области геоинформатики, геомоделирования [напр., 112-121], проведенный анализ показал отсутствие методологии, позволяющей разрабатывать геоинформационные модели и методы представления, пространственного анализа геоинформации в целях оценки степени подверженности геосистем совокупности ОПТП; решать практические задачи определения интегральных показателей опасности реальных территориальных систем и сравнения геосистем по степени опасности.
Одной из основных задач, возникающих при исследовании проблемы оценивания степени подверженности территориальных систем совокупности опасных природно-техногенных процессов, определения интегрального показателя природно-техногенной опасности, является представление и анализ геоинформации [122], определяющей степень опасности природно-техногенных процессов, разработка концепции решения задачи. При этом необходимо учитывать пространственно-координированный и временной характер проявления ОПТП в геосистемах. Необходима также разработка методов учёта площадных эффектов. Важным является также обоснование физического принципа, полагаемого в основу решения этой задачи. Основным критерием при этом должна быть универсальность его применения по возможности к большинству ОПТП различных генетических типов.
Очевидно, что без определения основного элемента структурирования (модельного структурирования) территориальных систем, являющегося основным звеном в задаче пространственной привязки, представления и анализа геоинформации о подверженности геосистемы опасным природно-техногенным процессам, разработка единой концептуальной модели невозможна.
Очевидно также, что такой элемент не должен быть некоторым искусственным образованием, получаемым при выполнении ряда условий и проведении ряда неких операций, а естественным, объективно существующим и функционирующим, с собственными, ему присущими физико-географическими, климатическими, антропогенными, и другими условиями.
В свою очередь методы представления и анализа геоинформации, геоинформационные модели интегральной оценки природно-техногенной опасности территориальных систем должны адекватно отражать пространственно-временные особенности воздействия ОПТП на территориальные системы, позволять эффективно работать (без принципиальных изменений) на любых масштабах в зависимости от стоящей задачи.
Анализ влияния количества опасных природно-техногенных процессов, их характеристик, площадей и конфигураций воздействия на интегральный показатель природно-техногеннои опасности геотаксона
В вышеприведенных разделах, по сути, не рассматривался (за исключением нескольких тезисов в начале настоящей главы) вопрос об учёте временной составляющей при решении задачи определения интегрального показателя природно-техногенной опасности территориальной системы (или геотаксонов, как её частей). Необходимо отметить, что, как правило, в исследованиях, посвященных рассматриваемой проблеме, этот вопрос либо остается вообще за рамками проводимого авторами анализа, либо вскользь отмечается, что опасные природно-техногенные процессы проявляются в данном месте и в данное время, но как методически это учесть на практике - остаётся непонятным. Более подробно мы уже обсуждали, в том числе, и этот вопрос в начале главы. Отметим ещё раз наиболее обстоятельные, на наш взгляд, работы [например, 7, 64]. Как в последней, так и некоторых более ранних работах А.И.Шеко, достаточно чётко обозначено (правда, лишь для экзогенных геологических процессов (ЭГП)), что опасность ЭГП напрямую связана с их энергетическими характеристиками, разделяя категории опасности по времени проявления - на фоновую и реальную. Не отвлекаясь далее на обсуждение удачности (или неудачности) предложенных терминов, отметим, что в этих работах также не рассматривается вопрос: как всё - таки определить интегральный показатель природно-техногенной опасности территориальной системы с учётом временной составляющей и желательно в виде числа.
Мы полагаем, что само понятие, смысл термина «интегральный показатель природно-техногенной опасности территориальной системы (или геотаксона)», в зависимости от конкретной, решаемой исследователем научной (или практической) задачи может различаться принципиально по своему содержанию [122, 139-141]. 1. Если мы говорим об интегральном показателе природно-техногеннои опас ности для данной территориальной системы за какой-то конкретный промежу ток времени (декада, сезон, год, 5 лет, 10 лет, 100 лет и т.д.), то речь идет о вполне определённом количестве проявлений ОПТП в данной геосистеме с оп ределёнными значениями их характеристик (например, энергетических) за оп ределённый промежуток времени, и это будет вполне определённое фактиче ское число (если применить изложенную выше методику), свободное от какого либо влияния вероятностных характеристик. В этом случае вполне естественно определить этот показатель как «фактический интегральный показатель природно-техногеннои опасности» для данной территориальной системы (или геотаксона) и за конкретно указанный промежуток времени. 2. Можно рассматривать интегральный показатель природно-техногеннои опас ности для данной территориальной системы в другом аспекте, когда он приоб ретает вероятностный смысл. Отметим, что вероятность проявления тех или иных ОПТП, в общем-то, числом не является - это некая сложная функция, вид которой, вообще говоря, не определён и которая связывает характеристики ОПТП и вероятность их проявления за какой-то конкретный период времени на какой-то площади.
Таким образом, в этом случае термин «интегральный показатель природно-техногеннои опасности территориальной системы» объединяет, в общем, бесконечное семейство чисел, каждое из которых соответствует суммарному воздействию ОПТП, для какой-либо из возможных характеристик (например, энергетических) каждого из ОПТП и их площади воздействия со своим значением вероятности. При этом необходимо учитывать также и тот факт, что большинство из рассматриваемых ОПТП, если говорить о погрешностях в значениях вероятности проявления конкретного ОПТП с теми или иными характеристиками на той или иной территории, обусловлено различными временными рядами наблюдения за ними и поэтому будут иметь свои весовые коэффициенты. Поэтому во втором рассматриваемом варианте показатель природно-техногеннои опасности вполне естественно определять как «потенциальный интегральный показатель природно-техногеннои опасности территориальной системы».
Приведём с учётом изложенного ряд новых терминов и определений. При этом определения для таких значимых для рассматриваемой задачи терминов, как опасный природный процесс, опасный техногенный процесс, опасный при-родно-техногенный процесс, соответствуют приведенным в [7]. Характеристика опасного процесса - его некоторое выделенное свойство, поддающееся классификации.
Показатель опасности процесса - мера характеристики опасного процесса, задаваемая в некоторой шкале.
Потенциальная природно-техногенная опасность территориальной системы -возможность проявления опасных природно-техногенных процессов (или их совокупности) с определёнными характеристиками (например, энергетическими), в конкретной территориальной системе за определённый промежуток времени.
Фактическая природно-техногенная опасность территориальной системы — фактическое проявление конкретных опасных природно-техногенных процессов (или их совокупности) с определенными характеристиками (например, энергетическими), в конкретной территориальной системе за определенный промежуток времени.
Показатель (оценка) природно-техногеннои опасности в узле - количественная мера (например, имеющая энергетический смысл) проявления опасных природно-техногенных процессов (или их совокупности), отнесенных к конкретному узлу геотаксона.
Показатель (оценка) природно-техногеннои опасности геотаксона - количественная мера опасности всего геотаксона, представляющая собой определенную свертку оценок опасностей в его узлах. Показатель (оценка) природно-техногенной опасности территориальной системы - количественная мера, являющаяся генерализацией оценок опасностей геотаксонов, составляющих данную территориальную систему. Интегральный показатель (оценка) природно-техногенной опасности территориальной системы - количественная мера опасности, учитывающая одновременное проявление в геосистеме совокупности опасных природно-техногенных процессов.
Потенциальный интегральный показатель природно-техногенной опасности территориальной системы — возможная количественная мера проявления совокупности опасных природно-техногенных процессов с определёнными характеристиками (например, энергетическими), которые могут воздействовать на определённую территориальную систему за определённый промежуток времени. Фактический интегральный показатель природно-техногенной опасности территориальной системы - количественная мера фактического проявления совокупности конкретных опасных природно-техногенных процессов с определёнными характеристиками (например, энергетическими), конкретной геосистеме, за определённый промежуток времени.
Теоретический анализ сравнения интегральных показателей природно-техногеннои опасности двух территориальных систем, состоящих из двух геотаксонов каждая
В предыдущих главах, говоря о влиянии количества воздействующих на ОПТП, их энергетических характеристик, площадей и конфигураций воздействия, на интегральную оценку природно-техногенной опасности территориальной системы, под последней понимался, как правило, геотаксон с определёнными характеристиками. В частном случае, когда территориальная система состоит из одного геотаксона, понятия «территориальная система (ТС)» и «геотаксон» совпадают и, стало быть, изложенная методика, результаты и выводы в предыдущих главах и определят решение задачи нахождения интегрального показателя природно-техногенной опасности территориальной системы (геотаксона). Если же территориальная система состоит из некоторого количества геотаксонов (ИГШТОГ которых определены в соответствии с вышеизложенным), то вопросы, связанные с методикой перехода от ИППТО геотаксона (ИГШТОГ) к ИППТО территориальной системы (ИППТОТС) требуют дополнительного обсуждения. Мы уже отмечали выше (например, во введении), что сама подобная постановка задачи, когда первичным для анализа является именно территория с присущими ей особенностями, связанными с подверженностью ОПТП, а не тот или иной конкретный генетический тип ОПТП (или отдельные виды ОПТП), пока аналогов, по нашим данным, не имеет.
Вследствие этого до настоящего времени за рамками исследований оставалась и такая серьёзная проблема, как сравнение нескольких территориальных систем по степени их подверженности ОПТП. Так как с точки зрения методики конкретное количество сравниваемых ТС не должно иметь принципиального значения, рассмотрим вариант, когда их количество равно двум. Количество геотаксонов, составляющих каждую из ТС, также не должно иметь принципиального, с точки зрения методологии, значения. Потому на данном этапе, не умаляя общности, будем считать их количество одинаковым. Для корректности анализа площади всех рассматриваемых геотаксонов считаем одинаковыми. Мы не будем уточнять, по какому количеству узлов геотаксонов определены их ИГШТОГ. Как показано в разделе 1.5 настоящей работы, при корректной реализации методики это не имеет принципиального значения и практически не влияет на значения ИГШТОГ. Очевидно, что так же, как и для геотаксона, наиболее иллюстративным и обеспечивающим не усложнённую искусственно математическую обработку и анализ является представление ИГШТОТС в виде числа. Представление ИППТОТС в виде вектора (если первоначально ТС представляется в виде матрицы, элементами которой являются значения ИППТО геотаксонов, ее заполняющих) задачу не решает, так как возникают проблема сравнения двух векторов, характеризующих подверженность ТС ОПТП. Исходя из этого, мы полагаем, нет необходимости привлекать для решения обозначенной задачи дополнительные, кроме уже использованных и подтвердивших свою эффективность в предыдущих разделах, методы. Таким образом, рассмотрим возможности сравнения ТС, используя различные нормы матриц с определённой внутренней структурой (под структурой понимаем то, что является элементами матриц, как они получаются) [150-153].
Рассмотрим две ТС, состоящие из двух геотаксонов каждая. Представим их в виде векторов: где DAbDA - интегральные показатели природно-техногенной опасности двух геотаксонов территориальной системы А (указанные значения, вообще говоря, могут быть получены любым способом, хотя для определенности будем считать, что они основаны на энергетической парадигме и рассчитаны в соответствии с изложенной выше методикой); DB ,DB - аналогичные показатели для территориальной системы В. Для евклидовой нормы векторов А и В получаем По аналогии с приведенными могут быть получены и соотношения для . Безусловно, какие бы методы (совокупность методов) не использовались при решении задачи сравнения ТС по степени их подвержен-ности ОПТП, они не смогут на 100% гарантировать получение уверенного результата всегда и везде. Может иметь место ситуация, когда ТС эквивалентны по степени подверженности ОПТП, и тогда любые математические методы будут бессильны решить задачу определения более опасной территориальной системы. Другой вопрос: какое различие допустимо, чтобы было возможно говорить об эквивалентности? Если критерием, разделяющим ТС по степени опасности, определить различие в ИППТОТС на десятые (сотые) доли процента, то цель будет достигнута и более опасная ТС будет определена. Однако можно ли считать такое отличие значимым? Тем более, что за рамками наших исследований остаётся проблема погрешности входной информации, которая сама по себе представляется достаточно сложной. Поэтому нам представляется, что если различие в ИППТОТС укладывается в 5%-й интервал, вполне обоснованно указанные ТС можно считать эквивалентными по степени их подверженности ОПТП. Теоретический анализ сравнения интегральных показателей при-родно-техногенной опасности двух территориальных систем, состоящих из двух геотаксонов каждая
В данном разделе проведём анализ ситуации с точки зрения сравнения двух ТС по степени их природно-техногенной опасности, когда каждая из них состоит из двух геотаксонов. Как уже отмечалось выше, геотаксоны имеют одинаковую площадь, величина которой определяется необходимой степенью детализации. Количество узлов в геотаксоне на данном этапе уже значения не имеет. Заметим, что в общем случае, когда анализируемая ТС разбивается на геотаксоны, для каждого из которых определяется ИГШТОГ в дальнейшем сама ТС представляется в виде матрицы (вообще говоря, произвольного вида, но приведение её к прямоугольному виду путём добавления необходимого количества нулевых элементов не будет влиять на получаемое значение ИГШТОТС). Не умаляя общности, полагаем, что ТС состоят из одинакового количества геотаксонов, то есть являются равными по площади.
Если сравниваемые две ТС состоят из двух геотаксонов каждая, что является предметом исследования данного раздела, то соответствующие им матрицы ИГШТОГ становятся строками (или столбцами, что в рамках решаемой задачи все равно).
Обобщающий анализ результатов численного геомоделирования и сравнения территориальных систем, состоящих из трёх геотаксонов, по степени их подверженности опасным природно-техногенным процессам
Кабардино-Балкарская Республика (КБР) расположена на юге европейской части Российской Федерации на северных склонах центральной части Главного Кавказского хребта и прилегающей к нему части Предкавказской равнины (рис. 5.1). Территория КБР составляет 12,5 тыс. кв. км. Минимальная высота над уровнем моря в пределах республики - 160 м, максимальная — вершина Эльбруса - 5642 м. Республика делится на три зоны: с равнинным, предгорным и горным рельефом.
Геологическое строение КБР, характер пород оказывают существенное, наряду с другими природно-антропогенными факторами, влияние на развитие и проявление опасных экзогенных геологических процессов (сели, оползни, карст, обвалы и осыпи, эрозия и др.). Ледниковые и водноледниковые отложения представлены мощными моренами, сложенными в основном крупнообломочным материалом с супесчано-песчаным заполнителем. Это зона активных очагов твёрдой фазы селей, развития солифлюкции, термокарста и термоэрозии. Между Главным и Боковым хребтами расположена высокогорная структурно-тектоническая Штулинская депрессия, которая представлена субширотными долинами рек Адылсу, Башиль, Дыхсу, Карасу с высотными отметками 1800-2000 м. Она является одной из характерных для территории КБР зон развития мощных осыпей и селевых очагов [напр., 111].
В настоящее время тектоническое развитие Кавказа продолжается. Отдельные его части медленно поднимаются, другие опускаются, как почти всё Предкавказье. С тектоническими движениями связаны землетрясения.
При этом землетрясения силой 2-3 балла здесь не являются редкостью, но возможны и разрушительные до 8 баллов.
Как отмечено в [156], серьёзным фактором природной опасности, который существенно усложняет хозяйственное освоение горных районов и часто представляет угрозу для жизни людей, являются лавинные процессы, которые охватывают более 75% высокогорий и 25-75% среднегорий, отличаясь при этом высокой степенью регулярности. В этом плане территория Кабардино-Балкарии с присущими ей рельефными и климатическими характеристиками является в максимальной степени показательным примером подверженности территориальных систем лавинной опасности [157].
По данным, приведенным в [158], площадь речных бассейнов КБР составляет около 18,7 тыс. кв. км. Все реки КБР - типичные горные реки с бурным порожистым течением (включая равнинную часть). В области водосборов рек имеет место воздействие на водотоки снежных лавин, селей и т.п. Водный режим рек характеризуется резкими дождевыми паводками, которые часто образуют максимальные годовые расходы воды. С мая по июнь бывает 2-5 дождевых паводков [111]. Общая протяжённость зон паводкового воздействия на реках КБР, по предварительным оценкам, приведенным в [159], составляет 620 км, из которых 130 км - в равнинной, 310 км - в предгорной и 180 км - в горной части КБР. При этом к негативным последствиям добавляется затопление прилегающих территорий, от которого страдают населённые пункты и сельскохозяйственные объекты в долинах крупных рек [159]. Серьёзное распространение на территории КБР имеют и подтопления, вызванные подпором подземных вод во время паводка, вследствие фильтрации из каналов и т.д. Территория, подверженная подтоплениям, является наиболее освоенной в КБР. Здесь расположен ряд крупных населённых пунктов, включая города Прохладный, Майский и Терек, сосредоточены сельскохозяйственные угодья и объекты агропромышленного комплекса, проживает значительная часть населения республики [159].
Характерной особенностью режима стока рек Кабардино-Балкарии является образование селей, связанное, прежде всего, с ливневыми паводками, иногда с бурным таянием снега и ледников, прорывом запруд, образовавшихся в руслах в результате горных обвалов, схода лавин. В силу особенностей рельефа и климатических условий территория
КБР подвержена воздействию грозо-градовых процессов, характеризующихся порой ураганными ветрами до 40-50 м/с, интенсивной грозовой деятельностью, ливневыми осадками и выпадением града, при некоторых катастрофических градобитиях до 10 см в диаметре.
По данным [159] приведём таблицу 5.1, иллюстрирующую количество населённых пунктов КБР, подверженных воздействию различных опасных природных процессов. 255
Также в [159] приводится наиболее полный перечень потенциальных источников техногенной опасности и чрезвычайных ситуаций на территории Кабардино-Балкарии - рис. 5.2. Отметим, что именно для территории КБР была проведена детальная инвентаризация в плане её подверженности опасным природным процессам (прежде всего для населённых пунктов) и основных источников техногенной опасности. При этом были проведены сбор и анализ информации по интенсивности проявления ОПТП на территории КБР, что позволило, в том числе, составить кадастры и атласы достаточно крупного масштаба, получить количественные оценки [напр., 29, 30, 87,160,161]. Полученные материалы позволили в [111] осуществить попытку определения в количественном отношении степени синергетической природно-техногенной опасности для населённых пунктов КБР.
