Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геолого-гидрогеологические условия формирования родникового стока на территории г. Москвы 10
1.1. Геолого-гидрогеологические, природно-климатические и ландшафтные особенности, определяющие формирование родникового стока 10
1.2. Техногенная нагрузка, влияющая на трансформацию родникового стока на территории г. Москвы 23
Глава 2. Анализ режима родниковых вод на территории г. Москвы 37
2.1. Режим имения дебитов итемпературы 37
2.2. Особенности режима химического состава родниковых вод 41
2.3. Статистическая оценка химического состава родниковых вод 47
2.4. Модель пространственной изменчивости концентраций компонентов родниковых вод 54
Глава 3. Термодинамическое моделирование 64
Глава 4. Факторное моделирование процессов формирования химического состава родниковых вод 84
4.1. Математическая модель факторного анализа 85
4.2. Применение факторного анализа 86
Глава 5. Диагностирование техногенного влияния на качество родниковых вод с использованием информационных моделей 107
5.1. Постановка задачи и исходная информация 107
5.2. Математический аппарат информационного анализа и методика его реализации 109
5.3. Формирование информационных моделей для диагностирования загрязнения родниковых вод 112
5.4. Анализ результатов диагностирования и рекомендации по управлению геоэкологическим состоянием на территории мегаполиса 129
Заключение 132
Список литературы 135
Список приложений 141
Приложения 142
- Техногенная нагрузка, влияющая на трансформацию родникового стока на территории г. Москвы
- Особенности режима химического состава родниковых вод
- Применение факторного анализа
- Математический аппарат информационного анализа и методика его реализации
Введение к работе
В рамках изучения условий формирования химического состава родниковых вод г. Москвы и его трансформации под влиянием техногенной нагрузки, настоящая работа связана с выделением главных режимообразующих факторов грунтовых вод в пределах мегаполиса, определяющих условия накопления в водах источников отдельных компонентов-загрязнителей, присутствие которых обуславливает токсичный характер воды и непригодность использования ее в питьевых целях.
Использование родников в целях водоснабжения имеет трехсотлетнюю историю. Первый проект централизованного водоснабжения города был разработан генерал-поручиком Ф. Бауром в середине XVIII века. В соответствии с этим проектом вода подавалась в количестве 300 тыс. ведер в сутки (или =3600 тыс. литров) по кирпичной трубе-водопроводу от села Большие Мытищи, где были каптированы мощные родники. Этот водопровод строился с 1779 по 1804 гг. В 1835 г. инженер Н.И. Яниш заменил самотечную подачу воды по Екатерининскому водопроводу от села Алексеевского до Сухаревской площади напорной системой. При этом водоподача была увеличена до 500 тыс. ведер в сутки. [48]
Одновременно с новым Мытищинским водопроводом для водоснабжения города стали использовать отдельные скважины, а также привлекаться воды р. Москвы. Но, несмотря на увеличение роли поверхностных вод для централизованного водоснабжения, родники оставались и остаются по сей день дополнительным водоисточником для населения города. [81]
В Москве насчитывается около 200 родников, в том числе области рассеянной разгрузки подземных вод. Рассматривая родники как источники нецентрализованного водоснабжения, правительством Москвы 30.05.2000 г. было принято постановление за №399 «О сохранении, обустройстве и использовании природных родников на территории г. Москвы». На данный момент благоустроенных родников в черте города несколько десятков. Наиболее известные и посещаемые расположены в рекреационных зонах Москвы (Нескучный сад, Тропарево, Филевский и Битцевский лесопарки, музей-заповедник «Коломенское», Воробьевы горы, Крылатские холмы и др.). Но, что касается качества их воды, то, полученная при участии автора информация (в рамках режимных наблюдений, проведенных кафедрой МГГА-МГГРУ с 1997 по 2000гг.) по загрязнению родниковых вод показала, что вода отдельных источников представляет определенную опасность в санитарно-эпидемиологическом отношении.
Первые работы по изучению родников, имеющие широкий охват территории города, проводились с начала прошлого века. Но, как правило, обследования проводились разрозненно, в составе комплексных инженерно-геологических, гидрогеологических и геохимических исследований, выполняемых «Геоцентром -Москва», ИМГРЭ, ВСЕГИНГЕО (Зеегофер Ю.О., Дубровин В.Н., Селезнев В.Н., Гольдберг В.М., Сает Ю.А., Алексинская Л.И., Парецкая М.Н., Деньгин Э.В. и др.). В конце 90"х годов стали появляться целенаправленные работы, ориентированные на изучение родников. В первую очередь следует отметить работу, выполненную совместно Mill «Мосводоканал» и МосводоканалНИИПроектом в 1995-96гг. Всего было обследовано 24 родника, в 2-х годовом режиме с определением полного перечня компонентов по действовавшему до 1997г. ГОСТу 2874-82 «Вода питьевая». Определенный интерес представляют работы, выполненные сотрудниками Центра практической геоэкологии при геологическом факультете МГУ (Орлов М.С., Орлов СМ, Толстихин Д.О. и др.), по заказу муниципальных органов (Филевский парк, Теплый Стан и др.) и работы, выполненные АООТ «Водниинформпроект» (Макеев Е.Н.), которые имели своей целью инвентаризацию действующих родников г.Москвы.
Систематическое изучение родников Москвы начато с 1997г. кафедрой гидрогеологии МГГА-МГГРУ (Швец В.М., Лисенков А.Б., Попов Е.В. и др.). В ходе него была проведена: 1) инвентаризация и паспортизация родников с целью придания им статуса памятников природы рекреационного значения, 2) оценка качества родниковых вод на предмет изучения возможности использования для питьевых целей, 3) оценка рекреационной ценности ландшафтов в пределах участков родниковой разгрузки.
Настоящая диссертационная работа является логическим продолжением работы кафедры гидрогеологии МГГРУ по изучению родников Москвы, которая расширяет научные подходы к изучению режима грунтовых вод в пределах крупных городских агломераций.
Целью настоящей работы являлось изучение механизмов и источников поступления загрязняющих веществ в родниковый сток и оценка уровня и масштабов загрязнения родниковой разгрузки г. Москвы в пределах МКАД. Соответственно в задачи исследования входило:
1) Изучение режима родников на территории г. Москвы, включая динамику
изменения их химического состава.
Анализ распределения интенсивности загрязнения родникового стока по площади, с построением графоаналитических зависимостей по ряду компонентов-загрязнителей.
Оценка основных источников поступления компонентов и определение условий их накопления в подземных водах с термодинамических позиций.
Выявление основных факторов формирования химического состава грунтовых вод и построение иерархической схемы их влияния на гидрогеохимическую трансформацию родниковых вод.
Формирование информационных моделей загрязнения родниковых вод отдельными компонентами (NO3, Fe, Al, Cd, Be, Cr, Mn, CI, SO4) и адаптация моделей к изучаемой территории с целью составления прогноза их накопления в конкретных областях города.
В отношении преобразования химического состава грунтовых вод за период прошлого столетия, отмечается снижение минерализации от 3 до 0,5 г/л (до 70-х годов), а затем ее увеличение до 1 г/л и более; понижение рН (от слабощелочных до нейтральных значений); смены гидрокарбонатно-кальциевого состава на сульфатный и в отдельных случаях хлоридно-натриевый; появление токсичных компонентов: Pb, Cd, Си, Sr, Al, Fe, Mn, Hg, Cr, Ni, Ті, нефтепродуктов и устойчивое повышенное содержание азотистых соединений. Загрязнение связано с ростом антропогенного воздействия на окружающую среду в виде сточных вод промышленных предприятий, утечек из канализационных и теплосетей, пылевых накоплений в пределах автомагистралей и др..
Сравнительный анализ показал, что лидирующие компоненты-загрязнители остались прежние, что создает предпосылки для уточнения факторов и условий, контролирующих их поступление в грунтовые воды, с тем, чтобы обеспечить жесткий контроль и управление экологической ситуацией качества родниковых вод, используемых населением в питьевых целях.
Диссертационная работа является одним из первых комплексных исследований с применением разноцелевых методов обработки эколого-гидрогеохимической информации, отражающих трансформацию родниковых вод г. Москвы как во времени, так и по площади. С этих позиций, родниковый сток представляется как элемент гидролитосистемы в иерархической структуре эколого-гидрогеологических систем (ЭГГС) и его преобразование рассматривается как результат взаимодействия всех базовых подсистем, включая атмосферу, водовмещающие породы, грунтовые воды и
техносферу. Последняя играет решающую роль в современной трансформации родниковых вод, их физических и химических характеристик.
Проведенные исследования позволяют оптимизировать перечень показателей состояния грунтовых вод, не снижая информативности и качества наблюдений при организации мониторинга подземных вод. А разработанный автором алгоритм обработки гидрогеохимических данных с использованием трехмерных функциональных полей, термодинамического, факторного и информационного моделирования позволяет последовательно решать задачи: 1) анализа нерегулярных режимных наблюдений; 2) оценки источников поступления в родниковые воды токсичных компонентов; 3) диагностирования качества родниковых вод на базе обучающихся информационных моделей и 4) прогноза уровня загрязнения грунтовых вод по площади.
При выполнении работы были использованы данные, которые получены в ходе комплексных исследований родников на территории г. Москвы, выполняемых кафедрой гидрогеологии МГТРУ по договорам с Москомприродой и Московским комитетом по науке и технологиям при правительстве Москвы начиная с 1997г. Автор участвовал в них начиная с 1999г. Диссертация базируется на 120 химических анализах родниковой воды по 46 показателям, включая дебит источника, температуру, Eh, рН, Ж)з, которые контролировались на протяжении длительного времени автором самостоятельно, а также на результатах ландшафтных наблюдений. Помимо большого картографического материала, к работе были привлечены фондовые материалы МНПЦ ГЭИ «Геоцентр-Москва» и ряда других организаций. Для обработки данных режимных наблюдений были использованы современные программные пакеты STATISTICA (включающий набор методов статистической оценки информации, в том числе Factor Analysis), Surfer (графический модуль), HCh (интегрированный комплекс термодинамических расчетов, Шваров Ю.В.), «Экогеоинформ» (реализующий информационное моделирование, Лисенков А.Б., Попов Е.В., Маркевич В.Ю.).
Результаты авторских исследований использованы Генпланом Москвы и Москомприродой при подготовке постановления Правительства Москвы № 399 от 30 мая 2000г. «О сохранении, обустройстве и использовании природных родников на территории города Москвы», при проектировании каптажных сооружений на родниках в Нескучном саду, Битцевском лесопарке и др. Полученная при участии автора работы информация по загрязнению родниковых вод используется муниципальными органами охраны природы г.Москвы для оповещения населения о наличии в родниковых водах ряда токсичных компонентов.
Диссертация представляет обобщение результатов режимных наблюдений за родниками г. Москвы с применением комплексирования вероятностно-статистических методов обработки данных, методов факторного и термодинамического моделирования и информационного анализа, позволившее:
разносторонне оценить процесс формирования химического состава родникового стока на территории города Москвы;
определить основные факторы, влияющие на трансформацию химического состава грунтовых вод;
- выделить области максимального влияния режимообразующих факторов с
разработкой методики картирования техногенной нагрузки с помощью факторного
анализа;
- выработать критерии подхода к оценке загрязненности родниковых вод;
- повысить обоснованность выявленных закономерностей за счет эффекта
«перекрытия» областей применения различных методов обработки численной
информации.
Разработанные научно-методические основы оценки условий формирования родниковых вод на территории крупнейшего мегаполиса России - г. Москвы составили следующие положения:
1. Алгоритм оценки условий формирования химического состава родниковых вод и их техногенного загрязнения на территории г. Москвы, основанный на комплексном использовании статистико-вероятностных методов, термодинамического и факторного моделирования и методов распознавания образов.
2. Трехмерные функциональные модели, аппроксимирующие зависимость
концентраций компонентов-загрязнителей грунтовых вод от параметров техногенной
нагрузки во времени, повышающие достоверность гидрогеохимических прогнозов.
3. Результаты термодинамического моделирования, которые показали, что процесс
формирования химического состава родниковых вод является следствием естественных
(природных) и техногенных причин и реализуется в следствие:
- мобилизации ряда компонентов из водосодержащих пород (F, As, Fe, Al);
- привноса части компонентов в грунтовый поток из техногенных источников
загрязнения (Cd, Mn, Fe, Al, NO3);
концентрирования в силу недосыщенности грунтовых вод отдельными элементами (Си, Ni, Pb, Sr, Be, Zn);
поступления элементов вместе с атмосферными осадками при высокой интенсивности водообмена (макрокомпоненты).
4. Главные факторы формирования химического состава родникового стока на территории г. Москвы и их загрязнения, которые составляют иерархическую структуру наложения процессов и условий природного и антропогенного характера, а именно: гидродинамическая структура потока подземных вод, факторы защищенности грунтовых вод от попадания загрязнения с поверхности, техногенное преобразование водовмещающих пород, антропогенная деформация структуры грунтового потока и загрязнение почвенного слоя.
5.Диагностические информационные модели, составленные и откалиброванные для территории правобережья р. Москвы, позволяющие прогнозировать концентрации Cd, Be, Сг и Мп для территории Москвы с точностью от 8% до 23%.
Результаты исследований докладывались на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МГГРУ «Молодые наукам о Земле» в 2001-2004 гг., а так же конференции, посвященной 100-летию профессора Томского политехнического университета П.А.Удодова «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» в 2003 г.
Диссертация состоит из 5-ти глав.
В первой главе содержатся сведения о физико-географических условиях мегаполиса, геологическом и гидрогеологическом строении толщи мезо-кайнозойских отложений, геоморфологии и ландшафтных особенностях территории. Так же здесь представлены данные о техногенной нагрузке, коренным образом влияющей на трансформацию родникового стока г. Москвы. В соответствии с анализируемыми условиями родники классифицировались по группам обобщающих параметров.
Вторая глава посвящена анализу режима родниковых вод с последовательной статистической обработкой данных и разработкой метода представления гидрогеохимической информации в виде 3-х мерных функциональных моделей.
В третьей главе излагаются результаты термодинамического моделирования системы «вода-порода» с выделением источников поступления отдельных компонентов-загрязнителей в родниковый сток и определением степени насыщенности водного раствора по каждому из них.
В четвертой главе рассмотрены вопросы формирования химического состава родниковых вод с применением факторного анализа. По результатам моделирования сделаны выводы о взаимозависимости компонентного состава на фоне выделенных основных факторов, преобразующих химический состав грунтовых вод. Также в этой главе представлена методика картирования факторной функции, описывающей техногенную нагрузку, с помощью которой были выделены области родниковой
разгрузки с наличием потенциально возможных аномалий по ряду компонентов-загрязнителей.
В пятой главе приводится информационная оценка отдельных компонентов состава родниковых вод и прогноз их количественного содержания по территории города с использованием метода распознавания образов.
Работа выполнена под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора А.Б. Лисенкова, которому автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность.
Автор признателен за помощь и консультации доктору химических наук Б.Н.Рыженко (ГЕОХИ РАН), а также благодарит зав. кафедрой гидрогеологии, лауреата Государственной премии СССР, заслуженного деятеля науки РФ, академика РАЕН, доктора геолого-минералогических наук, профессора В.М.Швеца и весь коллектив кафедры гидрогеологии ГТФ МГТРУ за поддержку и помощь при написании работы.
Техногенная нагрузка, влияющая на трансформацию родникового стока на территории г. Москвы
Применительно к техногенным изменениям геологической среды для условий Москвы можно выделить основные:- загрязнение земной поверхности накоплениями твердых веществ (несанкционированные свалки); - химическое загрязнение грунтов и подземных вод; - нарушение естественного водообмена литосистем (условий питания и разгрузки подземных вод); - подтопление территории; - формирование техногенных грунтов; - изменение гидросети в процессе строительства; - проявление экзогенных и эндогенных геологических процессов и т.д. Все это в той или иной мере оказывает непосредственное влияние на деструкцию родникового стока, поскольку его формирование происходит на стыке геологической среды, подземных вод и атмосферы.
Изменение родниковой разгрузки носит как количественный, так и качественный характер. С точки зрения исторической гидрогеологии [62] проследить появление, развитие и исчезновение родника задача практически невыполнимая из-за отсутствия на данный момент методов, которые бы учитывали одновременно физическую, химическую и механическую стороны этого процесса. А именно последнее обстоятельство играет решающую роль в формировании источника. Геологическая среда, ее структура создает предпосылки возникновения сосредоточенной разгрузки подземных вод. И именно ее изменение приводит к изменениям гидрогеологической обстановки. Примером могут послужить родники Борисовских прудов, где в результате оползневых процессов исчезла точечная разгрузка (родники №№22-23) и образовались мочажины вдоль береговой линии. Площадная разгрузка как правило неустойчивая, так как во многом зависит от интенсивности питания. Так в районе Царицынских прудов после продолжительных дождей практически весь восточный береговой склон длительное время был переувлажнен за счет резкого подъема УГВ и изменения условий разгрузки грунтовых вод. В засушливое время года пойменная часть прудов обычно сухая. Процессы, приводящие к изменению дебитов родников или их появлению или исчезновению, в условиях крупного мегаполиса зачастую спровоцированы антропогенной деятельностью, а следовательно, эти изменения - результат техногенеза. К наиболее интенсивным техногенным факторам, вызывающим нарушение естественной миграции грунтовых и подземных вод, и тем самым приводящих к изменению гидрогеологических параметров, можно отнести: скопление подземных вод перед искусственными препятствиями (фундаменты глубокого заложения); массовые (до 3-5, а местами до 35% водоподачи) водопроводные протечки; асфальтирование и бетонирование территории; стационарные дренажи и эксплуатационные откачки; возрастающую агрессивность химического состава сточных вод приводящую к ослаблению грунтов, а на определенных участках - к усилению карстово-суффозионных процессов. В северо-западной части города выявлено 10 неблагополучных участков. В целом же в Москве потенциально опасными признано около 15% территории. Но такого рода трансформация родникового стока носит локальный характер и наблюдается на коротких интервалах времени.
Загрязнение (как качественный аспект трансформации) грунтовых вод Москвы можно отнести к глобальным проблемам, касающихся всех крупных промышленных городов мира. Учитывая то, что родники могут рассматриваться как нецентрализованные источники водоснабжения - качество вод источников должно соответствовать нормативным требованиям санэпиднадзора. Но это далеко от истинного положения вещей. Связано это в большинстве с техногенной нагрузкой, которая синхронно возрастает с ростом и развитием города.
Основное загрязнение родниковых вод происходит на стадии питания грунтового потока, которое в естественных условиях формируется за счет инфильтрации поверхностного стока. Средняя величина инфильтрационного питания грунтовых вод (прил.2.2) по Москве составляет 230 мм/год (или 550 тыс. куб.м./сутки), что в 2-3 раза выше, чем в районах с сохранившимися естественными условиями за пределами городской территории. 70% инфильтрационного питания (это около 400 тыс. куб.м./сут) определяется причинами, связанными с функционированием городского хозяйства.
Поверхностный сток с территории города формируется за счет талых снеговых и дождевых вод, а также поливо-моечных вод. [31] Сбор и отведение дождевых и талых сточных вод осуществляется с территорий различного функционального назначения, что определяет различие характеристик формируемого на них поверхностного стока
Особенности режима химического состава родниковых вод
Факторы, влияющие на динамику вещественного состава грунтового стока разделяются на две группы: антропогенного (техногенного) и природного характера. Рассматривая крупную московскую агломерацию, как надстройку естественных условий, становится очевидным её прямое влияние на окружающую среду. В результате хозяйственной деятельности, возникающие новые факторы изменяют эти условия как качественно, так и количественно. В составе родниковых вод присутствуют наряду с природными компонентами . техногенные вещества, такие как: нефтепродукты, ароматические углеводороды, органические вещества (линдан, ДДТ), хлороформ, пестициды. Их содержания преимущественно в пределах нормативных концентраций, но их присутствие изменяет условия миграции и накопления природных компонентов родникового стока.
В результате анализа данных режимных наблюдений за химическим составом родниковых вод (прил. №3) за период с 1997 по 2002 гг., выполненных лабораториями ГСЭН, Курортологии и Москомирироды, был выделен ряд химических элементов, концентрации которых превышали их ПДК, нормируемые ГОСТом и СанПиНом. Ими оказались: Al, Сг, Se, Fe, Cd, Be, Ba, нефтепродукты, нитраты и ХПК. Наряду с перечисленными компонентами высокое фоновое содержание в ПВ имели Ni и Mn, а пониженное - фтор.
Графики изменения концентраций компонентного состава во времени позволили выявить общие закономерности изменения химического состава родниковых вод и условно выделить естественную и техногенную составляющие режима, (прил. 3)
Техногенный привнос компонентов-загрязнителей имеет две характерных особенности: 1) случайные выбросы промышленных предприятий 2) и регулярное поступление тяжёлых металлов в зависимости от типа хозяйственного использования территории. По первому положению выделяются такие химические элементы, как: алюминий (превышение ПДК зафиксировано в водах 32 родника - 1,06ПДК (24.05.97)), марганец (родник №50 :- 1,ЗПДК (18.05.97)), хром (родник №39 - 2,06ПДК (08.06.97)), селен (родник№8 - 1,2ПДК (10.05.97)), барий (родник №50 - 2,2ПДК (15.10.01)) (табл.2.2-1). Региональный и регулярный характер загрязнения родниковых вод отмечен по кадмию, железу, нефтепродуктам и бериллию .
Конкретизируя синфазность и противофазность поведения отдельных компонентов - было замечено, что кривые изменения концентрации алюминия и минерализации практически синхронно меняются во времени (родники №№ 29, 46), при этом с рН А1 находится в противофазе (вторая закономерность возникает из-за процесса осаждения элемента в твердую фазу в результате повышения щелочности: А1 ++ЗОН"=А1(ОН)з(тв) — и как следствие уменьшения его содержания в водной фазе).
Совпадение максимумов и минимумов содержания иона SO4 " и Fe в родниковых водах прослеживается практически по всем рядам наблюдений. Это может быть связано с тем, что более 50% коррозии труб происходит в результате деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий. Тем самым в геологическую среду поступают продукты жизнедеятельности тионовых бактерий (серная кислота) и коррозии металлических сооружений и строительных материалов.
Примечателен тот факт, что в весенний период у родников, расположенных в лесной зоне количество сульфатов в воде уменьшается, тогда как в водах родников приуроченных к открытым ландшафтам концентрация этого иона увеличивается. По видимому это происходит из-за неравномерного снеготаяния на этих территориях и «водопоглотительной» способности различных типов растительности (древесных и травянистых растений).
Применение факторного анализа
Применение ФА для анализа формирования гидрогеохимического режима родникового стока бьшо обусловлено прежде всего тем, что имеющийся массив данных об объекте исследования рассматривается как выборка из некоторой генеральной совокупности, что позволяет исследовать вопрос о природе многомерного распределения переменных. То есть стохастическая модель выводит на уровень значимости, на порядок выше исходной информации. Другими словами факторы - есть производные от функций переменных или признаков Вторым ключевым моментом использования ФА является предположение о независимости факторов, определяющих корреляции переменных. При этом осуществление расчетов идет от постановки вопроса [20]: существует ли такой фактор, что если исключить его влияние, переменные станут некоррелированными. Такой подход дает возможность поиска процессов индивидуальной природы и степени их влияния на рассматриваемую систему в целом, т.к. факторы ранжируются в порядке убывания их вклада в суммарную дисперсию.
Факторный анализ состоит из ряда методов (анализ главных факторов, метод главных компонент, центроидный, метод главных осей и др.), различие которых состоит в основном в способе нормировки наблюдений или использовании различных коэффициентов сходства. [20] Применительно к задаче выявления главных режимообразующих факторов формирования химического состава родниковых вод целесообразно использовать метод главных компонент в R-модификации, т.к. во-первых, в компонентном анализе факторы определяются в соответствии с критерием максимизиции их вклада в суммарную дисперсию, что позволяет исследовать массив данных с позиции его неоднородности, а во-вторых, R-модификация анализирует взаимосвязи между переменными, которые и являются своеобразной функцией отклика системы на любого рода воздействие.
Исходя из данных режимных наблюдений и принципов эколого-гидрогеохимического диагностирования [70] в модель должны быть включены признаки по возможности всех типов (детерминированные, вероятностные, логические, структурные) для наиболее полного описания объекта исследования.
Собранный фактический материал представлен набором полных химических анализов по 44 показателям, в том числе дебит, температура, рН, Eh воды, общая жесткость и минерализация; рядом карт, характеризующих гидрогеологические условия формирования родникового стока (интенсивность инфильтрационного питания первого от поверхности водоносного горизонта, инженерно-геологическое районирование территории, карта гидроизогипс), геоморфологические особенности (собственно геоморфология, рельеф) и техногенную нагрузку (загрязнение почвенного слоя тяжелыми металлами, мощность техногенных отложений, загрязнение грунтовых вод, загрязнение снегового покрова), а также показателями, снятыми с картографического материала (латеральный градиент грунтового потока, удаленность от промышленных зон, мощность зоны аэрации).
Имеющиеся параметры в своем большинстве смешанного характера. Концентрации химических элементов и гидрохимические показатели (температура, рН, Eh, жесткость, минерализация) имеют как детерминированную, так и стохастическую составляющие. К сугубо детерминированным можно отнести статические параметры, снятые с карт под общим названием «техногенная нагрузка», такие как: мощность техногенных отложений и удаленность от промышленных зон. К логическим — инженерно-геологическое районирование, поскольку в использовании этого показателя важна не величина признака, которой, по сути, нет, а лишь факт принадлежности объекта к конкретному району.
Таким образом, матрица исходных данных была сформирована исходя из учета полноты описания гидрогеохимической системы, с позиций формирования химического состава родниковых вод и вероятностных параметров его контролирующих, а также условий на него влияющих. Конкретизируя фактический материал, таблица данных имела вид матрицы, столбцы которой соответствовали набору показателей состояния анализируемой системы, а строки - объектам исследования, т.е. родникам, (прил.7) Отдельному роднику соответствовал химический анализ с наибольшим количеством превышений, отмеченных за весь период наблюдений. Такая селекция анализов была произведена с целью создания базы данных наилучшим образом отражающей техногенный характер изменчивости химического состава вод. В случае отсутствия данных по какому-либо компоненту, пустой ячейке присваивалось среднее значение по выборке конкретного родника.
Математический аппарат информационного анализа и методика его реализации
Методика математической оценки информативности показателей была разработана в алгебраической теории информации [13] и адаптирована А.Б. Лисенковым для решения геологических [41] и гидрогеологических [40, 44] задач.
Энтропия любого признака представляется какгде: S - орбита признака (или совокупность его стационарных состояний). Величина информации, которая содержится в признаке х„, относительно признака xw (условная энтропия), запишется как
Если в качестве слова х„ использовать выходной параметр Y, характеризующий экологическое состояние родниковых вод (а более конкретно -концентрацию токсичного компонента), а в качестве слова х — некоторый показатель условий формирования родникового стока - Хі, то величина xi:Y 110определяет информативность показателя xi, т.е. количество нформации,содержащееся в нем относительно принадлежности объекта к тому или иномуклассу (рангу) экологической ситуации Y.Показатель жі, для которого Xi:Y I(Y), будем называть чистым. Для такогопоказателяI(Y/x,) = 0 (7)т.е. признак Х полностью раскрывает неопределенность и в соответствии с принципом Эшби сложность модели становится сопоставимой со сложностью распознаваемого объекта.
Если же І(хі:У)в0, то признак Х называют шумом. Такой признак не дает ни какой информации относительно принадлежности к какому-либо классу.Аналогичное выражение можно записать и для сложного признака. Для определения меры сходства двух слов используют энтропийную метрику Хемминга:p(Xn,Xk) - 0.5 [I(Xk/x„) + I(x„/xk)j (8)
Математической записью информационной модели можно считать выражение Цх х УИЦУЬЦУ/хиОх,,) (9)где: I(xux„:Y) - взаимная информативность Y и сложного признака Xk 8 x„; I(Y) -полная информативность, содержащаяся в признаке Y; I(Y/xux„) информативность сложного признака хих„ по отношению к Y.Здесь сложный признак хцХп представляет собой комбинацию из информативных признаков xj, описывающих модель, как совокупность параметров ее описывающих, a Y - обобщенный показатель состояния системы.
Мерой количества информации является информационная энтропия Шеннона, которая одновременно служит мерой сложности процесса или объекта и таким образом принцип Эшби реализуется в математической части информационной модели. Практическая его реализация (сближение сложности модели и объекта) осуществляется в процессе обучения системы.
Информационные модели работают в режиме "распознавания образов" и обладают способностью к обучению и самообучению, что делает возможным реализацию на практике принципа Эшби, использование которого при моделировании позволяет: 1) выделить группу показателей хр, ... , xt, наиболее информативных по отношению к изученному показателю Y; 2) сконструировать сложные признаки хкх„, приближающиеся по информативности к показателю Y, на основе которых составляется "образ" моделируемой ситуации. Ill
Показатели состояния информационной модели можно задавать как в виде конкретных чисел, так и в виде значений баллов. Для облегчения машинного доступа целесообразно выполнить предварительное ранжирование значений показателей.Таким образом, информационный анализ подразумевает выполнение ряда процедур, реализующих вероятностный подход описания экологической ситуации, а именно:1) Формируется задача и концептуальная схема ее реализации; 2) В соответствии с целью, составляется база данных параметров по возможности наиболее полно описывающая процессы, формирующие условия на заданной территории; 3) Изучаемая область делится на блоки, в центры которых сводится информация по всем имеющимся показателям; 4) Показатели состояния ранжируются, по принципу равномерного распределения его по площади; 5) Выбираются выходные признаки, оценка и прогноз которых лежит в основе информационной обработки; 6) Вычисляются информативность каждого из показателей Х по отношению к выходным характеристикам модели Y по формулам (4) и (5); 7) Отбраковываются наименее информативные показатели по отношению к выходным данным и оставляются лишь те, для которых соблюдается условие I (xi:Y) = I (Y), т.е. информация привносимая признаком Х максимально раскрывает ситуацию Y; 8) Составляются сложные признаки хг0Хп из оставшихся показателей и оцениваются на предмет соответствия условию (7); 9) На основе анализа состава и структуры сложных признаков, модель тестируется на предмет соответствия сложных признаков возможности описания выходной информации Y; 10) Оценивается ошибка прогноза и при допустимой погрешности (после калибровки информационной модели и минимизации ошибки прогнозирования) составляется прогноз на территорию, не имеющую данных по выходным показателям сформированной модели
