Введение к работе
Актуальность темы исследования. При разливах нефти и нефтепродуктов необходимо уметь оценивать в первую очередь площадь разлива и степень насыщаемости нефтепродуктами почвенного покрова, поскольку почвы являются важнейшим звеном биогеохимического круговорота веществ в экосистемах, источником поступления этих веществ в растительность и по трофическим цепям в организм человека. Химический состав загрязненных почв дает интегральную характеристику процессов долговременного загрязнения - его масштабов и превращений. Попадание в почву нефтепродуктов может привести к возникновению чрезвычайной ситуации (ЧС), однако критерии, по которым следует выделять зоны ЧС, весьма противоречивы. Среди критериев оценки территорий для вьивления зон чрезвычайной ситуации используются показатели, основывающиеся как на оперативном контроле, так и на долгосрочном прогнозировании ситуации. Модель долгосрочного прогнозирования состояния экосистем должна содержать систему сбора и обработки информации и иметь своей целью выработку рекомендаций для принятия управленческих решений.
Для того чтобы определить степень негативного влияния нефти и нефтепродуктов на почвенный покров, необходимо выявить характер их взаимодействия с грунтами, микроорганизмами, растениями, поверхностными и подземными водами, то есть всеми элементами почвенного покрова. Многообразие всех факторов, влияющих на окружающую среду, настолько велико, что адекватную детерминированную систему их описания создать не представляется возможным. Техногенное загрязнение окружающей среды и связанные с ним ЧС возникают в результате производственной деятельности человека. В окружающей среде могут происходить изменения, которые приводят экологические системы в катастрофическое состояние, при этом их нормальное функционирование невозможно. Биологическая самоорганизация и регуляция экосистем настолько сложна, что описать эти процессы системами дифференциальных уравнений практически невозможно. Поэтому применение методов системного анализа объектов с нефтяным загрязнением встречается достаточно редко.
Детерминированные модели позволяют принимать оперативные решения по устранению последствий чрезвычайных ситуаций. Долгосрочного прогноза поведе-
ния экосистем после окончания действия факторов ЧС практически не существуют. Не существует также и моделей, позволяющих прогнозировать возникновение ЧС при долгосрочном накопительном возмущающем воздействии.
Разработанная в настоящем исследовании стохастическая модель развития ЧС и ликвидации их последствий является одним из возможных вариантов решения указанных проблем.
Важность разработки критериев и моделей описания поведения экосистем до возникновения ЧС, а также после их ликвидации и выработки рекомендаций для принятия управленческих решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением определяет актуальность диссертационной работы.
Решаемая в диссертации научно-техническая задача - разработка моделей описания поведения окружающей среды и решения задач системного анализа при ЧС на объектах нефтегазового комплекса.
Целью диссертационной работы является совершенствование системы прогнозирования ситуаций и методов решения задач системного анализа по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением.
Задачи исследования:
Формализация и постановка задачи взаимодействия человека с окружающей средой в районах с нефтяным загрязнением в рамках экологической сферы деятельности объектов нефтегазового комплекса.
Разработка модели оценки чрезвычайных ситуаций, связанных с разливами нефтепродуктов, на основе перколяционных и фрактальных процессов.
Создание модели мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.
Разработка модели описания ситуаций и решение задач по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов.
Объект исследования - сложные природные и техногенные системы, включая почвенный покров и водные объекты, загрязненные нефтью и нефтепродуктами.
Предмет исследования - модели описания развития ЧС, возникающих при разливах нефтепродуктов в почвах, и выработка рекомендаций для принятия управленческих решений по ликвидации последствий ЧС на объектах нефтегазового комплекса.
Методы исследования: системный анализ, теория конечных цепей Маркова, теория фрактальных процессов, статистические методы обработки экспериментальных результатов.
Научная новизна. Проведена формализация структуры системы взаимодействия человека с окружающей средой, позволяющая ставить задачи системного анализа и создавать модели поведения систем окружающей среды при мониторинге ЧС на объектах нефтегазового комплекса.
Предложена новая модель топологического описания возникновения и развития разливов нефтепродуктов в почвах, позволяющая с использованием математического аппарата фрактальной теории определять и сравнивать между собой зоны, пострадавшие при аварийном разливе нефтепродуктов, описывать физические закономерности процесса и численно рассчитывать порог перколяции для различных природных сред.
Впервые использована теория конечных цепей Маркова для долгосрочного мониторинга возникновения и развития ЧС.
Создана новая модель постановки и решения задач системного анализа в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов.
Практическая значимость. Внедрение моделей поведения систем окружающей среды способствует совершенствованию мониторинга и прогнозирования процессов возникновения, развития и ликвидации последствий ЧС на объектах нефтегазового комплекса.
Разработанные модели оценки ЧС, описания ситуаций и выработки рекомендаций для принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением могут быть использованы при проведении наблюдений за количественными и качественными показателями состояния окружающей среды и
для информационного обеспечения государства, юридических и физических лиц по вопросам состояния окружающей среды.
Результаты работы используются в практической деятельности спасательных центров МЧС России, что повышает эффективность и достоверность проведения мониторинга чрезвычайных ситуаций на объектах нефтегазового комплекса.
Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Системы организационного управления».
Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием современных методов системного анализа и теории вероятности.
Основные положения, выносимые на защиту:
Формализованная структура системного анализа взаимодействия человека с окружающей средой в рамках экологической сферы деятельности объектов нефтегазового комплекса.
Модель оценки ЧС, связанных с разливами нефтепродуктов на основе перко-ляционных и фрактальных процессов.
Модель мониторинга возникновения и развития ЧС на основе теории конечных цепей Маркова.
Модель описания ситуаций и выработки рекомендаций для принятия решений по улучшению экологической обстановки в районах с нефтяным загрязнением на основе стохастических марковских процессов.
Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры исследования и экспертизы пожаров Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, научно-практической конференции «Сервис безопасности в России: опыт проблемы, перспективы» (СПб, 2008), межкафедральном теоретическом семинаре по системным исследованиям (СПб, 2009), Международной научно-практической конференции «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Минск, 2009).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов и списка литературы. Общий объем работы составляет 124 страницы печатного текста, содержит 11 рисунков, 7 таблиц. Список литературы включает 86 наименований.
