CC BY
29
© В.М. Шек, А.А. Филиппова, 2002
УДК 65:001.57
В.М. Шек, А.А. Филиппова
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ: ПРАКТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ
При проведении экологического аудита* горных объектов, а также для нужд системы экологического контроля на горном предприятии необходима комплексная оперативная оценка взаимодействия предприятия с окружающей средой. Наличие компьютерной модели, отражающей реальный процесс такого взаимодействия, позволит лицам, принимающим решения (ЛИР), в реальном времени оценить правильность выбранных приоритетов природоохранной деятельности, скорректировать проводимые мероприятия.
Анализ публикаций показал, что ведутся работы по следующим направлениям: моделирование пространственных данных по окружающей среде [1-3]; разработка концеп-
ции создания проектов эко-ГИС [4-9]; адаптация существующих ГИС-техноло-гий для экологических территориальных задач [10]; моделирование чрезвычайных ситуаций с мониторингом окружающей среды и оборудования в реальном времени [11]; расчет концентраций и зон поражений от выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) [12-15]; подсчет экономического ущерба от выбросов, размещения отходов [13-15].
Решение указанных задач связано с разработкой технологий контроля и управления состоянием экосистемы в горной экологии. Структура горной экологии показана на рисунке.
Проблема моделирования взаимодействия промышленного предприятия с окружающей природной средой не теряет своей актуальности на сего-
дняшний день, хотя на российском рынке представлено множество программных комплексов, рассчитывающих показатели экологических аспектов предприятий. Как правило, они недороги, узко специализированы и представляют компьютерную версию той или иной утвержденной Госстандартом методики.
Мы рассмотрим программный комплекс "Гарант-универсал", моделирующую систему "Про-мышленная экология" для учебных заведений и более универсальную экологоэкономическую модель "Регион".
Для расчета полей концентрации вредных веществ в атмосфере с учетом влияния застройки используется программный комплекс "Г арант-универ-сал", версии 2.0. Алгоритм
расчета соответствует методике ОНД-86 и имеет сертификат соответствия Госстандарта России. Стоимость пакета около 2000 рублей.
Программный комплекс состоит из 2-х блоков. Первый блок включает программные модули, работающие под управлением операционной системы DOS. Здесь формируются стандартные отчеты, принятые в системе инвентаризации. Второй блок обеспечивает интерфейс пользователя под Windows; перенос данных из DOS и графическое представление зон рассеяния загрязняющих веществ в виде карты. Исходные данные для расчетов поступают с предприятия (характеристики источников выбросов), от Росгидромета (данные по фоновым концентрациям и розе ветров).
Для специалиста-эколога (пользо-
Рис. 1. Структура горной экологии
вателя программного комплекса "Гарант-универсал" может быть сформирована рекомендация: "Требуется
коррекция санитарной зоны с учетом розы ветров". Дальнейшая корректировка радиуса зоны должна проводиться вручную.
Интересно заметить, что часто происходит следующая ситуация: вместо того, чтобы купить новый программный продукт или обновленную версию уже имеющегося, специалисты вручную проводят все необходимые расчеты показателей загрязнения на базе опубликованных методик. Методика появляется в печати всегда раньше, чем ее компьютерная версия.
Становится понятно, что жизненный цикл готовых программных продуктов такого типа недолог. Получаемые на выходе результаты не совместимы с другими системами (присутствует свойство "закрытое™"). Значительно большим ресурсом обладают открытые системы, построенные на базе объектно-ориентированной методологии, имеющие в своем составе банк моделей. В этом случае при необходимости изменений в одной из методик (которая может быть представлена компонентой банка моделей) производится ее корректировка без изменения структуры всей системы. Полная версия программного комплекса позволит анализировать различные экологические аспекты работы предприятия;
возможен обмен данными между компонентами программного комплекса.
Эколого-экономическая модель «Регион» отражает реальную схему формирования экономического ущерба под воздействием загрязнения: сначала загрязнение воздействует на окружающую среду и изменяет параметры ее состояния, затем уже измененная среда воздействует на реципиентов, что и приводит к экономическим потерям. В модели представлены два встречных канала взаимодействия: во-первых, зависимость параметров окружающей среды от экономической деятельности и, во-вторых,
*Экологический аудит - это систематический документально оформленный процесс проверки объективно получаемых и оцениваемых данных для определения соответствия или несоответствия критериям аудита определенных видов экологической деятельности горного предприятия (ГОСТ Р ИСО 14050-99).
зависимость результатов экономической деятельности от состояния окружающей среды. Модель «Регион» была опробована на информации по Байкальскому региону и сейчас разрабатывается для Переславского региона (Ярославская область).
Здесь используются два методологических подхода к определению экономического ущерба: прямой счет и косвенная оценка.
Первый подход заключается в определении экономического ущерба непосредственно для конкретного объекта исследования путем суммирования различных составляющих потерь, выраженных в денежной форме. Один из используемых методов - метод аналитических зависимостей. Он основан на статистической обработке фактических данных о влиянии различных факторов на изучаемый показатель состояния реципиента. В результате получаются уравнения регрессии, характеризующие закон изменения исследуемого признака в зависимости от значения влияющего фактора. Метод аналитических зависимостей связан с необходимостью сбора и обработки большого массива исходной информации. На основе машинных имитаций по одному району, закладывая разные объемы загрязнения, можно статистически вывести зависимость ущерба от основных характеристик региона (валового выпуска продукции, численности населения и др.). Таким образом, информационные трудности могут быть преодолены путем искусственной генерации статистических данных на базе эколо-го-экономической модели «Регион».
Одним из преимуществ экологоэкономической модели «Регион» является возможность ее построения в разных постановках: например, в одном случае под ущербом можно понимать ухудшение всех показателей без восстановления среды, в другом -затраты на восстановление среды во избежание потерь от экологических нарушений.
Косвенный подход к оценке экономического ущерба основан на принципе перенесения на конкретный исследуемый объект общих закономерностей и предполагает использование системы нормативных показателей, фиксирующих зависимость негативных последствий от основных ущербообразующих факторов. В связи
с этим метод более применим к негативным процессам, имеющим массовый характер.
Программно-методический комплекс "Промышленная экология" существует в виде нескольких циклов модельных лабораторных работ. Комплекс оформляется в виде практикума, построенного на принципах математического моделирования биологических процессов и их всестороннего графического отображения. Обучаемому предоставляется возможность активно воздействовать на модель при помощи удобных органов управления, устанавливать причинноследственные связи, делать выводы. Практические работы сопровождаются кратким теоретическим материалом с элементами мультипликации. Комплекс позволит ЛПР "проигрывать" различные сложные природные процессы.
Содержание учебной версии таково:
а) моделирование процессов распространения загрязняющих веществ в окружающей среде.
б) рассеивание примесей в атмосфере от различных источников загрязнения (стационар-ных, передвижных);
в) процессы смешения-
разбавления примесей в водных объектах (в водотоках; в водоемах);
г) процессы распространения загрязнений в подземных горизонтах при глубинной закачке сточных вод;
д) моделирование процессов естественного самоочищения водных объектов при загрязнении.
Целью разработки является создание активной обучающей среды, обеспечивающей компьютерную поддержку учебного курса.
Из сказанного выше следует, что реализация сложных проектов экологической направленности предполагает [16-17]:
• создание максимально приближенной к реальности пространственной модели действительности на основе системного подхода — электронной карты, база данных которой должна объединять сведения обо всех компонентах геосистемы, включая информацию о наличии и стоимости промысловых видов природных ресурсов (экономи-ческая составляющая);
• оценку устойчивости геосис-
темы (и ее отдельных компонентов) к различным видам антропогенного воздействия на основе интегральных балльных оценок по факторам устойчивости и добавление этих оценок в базу данных карты (экологичес-кая составляющая);
• создание электронных карт основных объектов антропогенного воздействия на геосистему с подробной характеристикой всех видов такого воздействия;
• создание на основе интеграции различных источников электронных карт устойчивости территорий к антропогенной нагрузке, и оценка потенциально опасных участков (оценка экологического риска),
• выбор наиболее оптимальных технологий горного производства с учетом как экономической, так и экологической составляющих (поддержка принятия управленческих решений), организацию на базе ГИС - технологии системы экологического мониторинга.
Это означает, что подобные интегрированные системы (ИС) должны обладать модульностью и гибкостью для развития и совершенствования, разрабатываться как открытые и наращиваемые системы.
Такого рода ИС могут использоваться для поддержки принятия решений при наличии альтернатив, при проведении экологических экспертиз, научных и прикладных исследований, для подготовки экспертов.
Основным элементом таких систем является наличие баз данных и банков моделей [18]. Интеллектуальные системы поддержки принятия решений содержат также базы знаний и системы управления ими. Полное решение поставленных выше задач требует использования вычислительной техники различного уровня производительности и компьютерных сетей.
В рамках диссертационной работы автора на основе исследования возможностей известных отечественных и зарубежных геоинформационных систем (А^/ЮТО, МарШо,
GeoGraph) и практического опыта работ с наиболее распространенными системами, содержащими экологическую компоненту («Промыш-ленная экология», эколого-экономическая модель «Регион» и другие) была обоснована необходимость создания
специализированной географической информационной системы экологического мониторинга горного предприятия. Такая ГИС объединит банк электронных карт и набор инструментальных средств обработки пространственно-атрибутивных данных, входящих в банк моделей.
Используемый системный подход позволит перейти от собственно мониторинга к выбору управляющих воздействий на технологический процесс, обеспечивающих минимальный экологический ущерб от ведения горных работ.
Геоинформационная система (ГИС) позволит визуализировать экологически значимые данные, имею-
щие географическую привязку, реализовать процедуры выделения и периодическую корректировку областей экологических проблем, которые характеризуются рядом зафиксированных параметров. Наличие пакетов прикладных программ для обработки на ЭВМ географических карт месторождений, границ влияния вредных выбросов, населенных пунктов и народно-хозяйственных объектов даст возможность осуществлять типизацию проблемных зон в соответствии с задаваемыми ЛПР критериями.
В качестве программной среды разработки ГИС экологического мониторинга горного предприятия выбрана ГИС АRС/MFО(ArcView). ГИС
здесь - это связанная совокупность трех основных компонент: информационного банка, системы комплексного отображения информации и системы поддержки принятия управленческих решений с учетом экологического фактора. АRС/MFО(ArcView) строится на основе объектноориентированной методологии с использованием всех ее компонент. При этом большое количество функций включено в модули расширения, загружаемые по мере необходимости, что позволяет рационально использовать ресурсы памяти.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грачев И.С., Демьянов В.В., Каневский М.Ф. Анализ данных по окружающей среде при помощи нейронных сетей с обобщенной регрессией (НСОР) и геостатистики. - М.: ИБРАЭ РАН, Препринт, 2001.
2. Нехороших Д.С., Демьянов В.В. и др. Стохастическое моделирование пространственно распределенных данных по окружающей среде. - М.: ИБРАЭ РАН, Препринт, 2001.
3. Тупцев А.А., Савельева Е.А. и др. Применение самоорганизующихся карт Кохонена для классификации и анализа пространственно распределенных неполных данных по окружающей среде. -М.: ИБРАЭ РАН, Препринт, 2001.
4. Смирнов А.М. Обоснование структурных параметров системы экологического мониторинга угольной промышленности. Материалы диссертации. - М.: МГГУ, 1999.
5. Разработка ГИС экологического мониторинга угольной шахты. Промежуточный отчет. - М.:МГГУ, 1996, - с. 40.
6. Разработка технологических основ системы экологического мониторинга угольной шахты (процессов сдвижения массива горных пород, газо- и пыле- образования, притока и состава шахтных вод). Промежуточный отчет. - М.: МГГУ, 1996, - с. 24.
7. Конструирование и выбор технологических схем на базе синергетического подхода к проектированию технологий интенсивной и безопасной отработки запасов угольных месторождений. Промежуточный отчет. - М.: МГГУ, 1994, - с. 36.
8. Разработка информационной системы экологического мониторинга угольной шахты (создание прототипа интег-рированной пространственно-атрибутивной базы для системы экологического мониторинга). -М.: МГГУ, 1995, - с. 49.
9. Дедиков Е.В. Концепция создания проектов эко-ГИС при освоении месторождений углеводородного сырья. Из материалов третьей конференции ГИС-Ассоциации "Геоинформатика в нефтегазовой и горной отраслях". - М, 18-20 апреля, 2000.
10. Интернет-сайт: ^1р://8^аШт.р8Ш.ас.т. Ссылка на описание
коммерческих программных продуктов, созданных в универсальной среде моделирования сложных систем Stratum 2000.
11. Интернет-сайт: ^1р://^гаШт^Ш.ас.т. Ссылка на описание системы моделирования чрезвычайных ситуаций с мониторингом окружающей среды и оборудования в реальном времени.
12. Интернет-сайт: h1ttр://www.ibrae.ас.ru. Ссылка на описание компьютерных базовых моделей прогнозирования поведения радионуклидов при аварийных и нормативных сбросах с учетом гидрометеорологической обстановки дисперсии радионуклидов в реках (RIVLAK, BASIN, INTER).
13. Методические и нормативно-аналитические основы экологического аудирования в Российской Федерации. Учебное пособие по экологическому аудированию. Часть 2. - М.: Тройка, 1999, с. 776.
14. Методические и нормативно-аналитические основы экологического аудирования в Российской Федерации. Учебное пособие по экологическому аудированию. Часть 1. - М.: Тройка, 1999, - с. 533.
15. Методические и нормативно-аналитические основы экологического аудирования в Российской Федерации. Учебное пособие по экологическому аудированию. Часть 3. - М.: Тройка, 1999, - с. 431.
16. Сергеев Д.О., Уткина И.А. и др. Использование геоинформа-ционных технологий в природоохранной деятельности: практика и перспективы. - М.: ГИС-Ассоциация, Информационный бюллетень ГИС-Ассоциации, 1998. -№ 3 (15), - с. 33.
17. Большов Л.А., Арутюнян Р.В., Бирман Б.Б. и др. Возможности использования современных геоинформационных технологий и разработка системы поддержки работы с картографической информацией в отечественных и международных стандартах в рамках создания специализированных ГИС для задач экологической безопасности. - М.: ИБРАЭ РАН, Препринт, 2001.
18. Шек В.М. Объектно-ориентированное моделирование горнопромышленных систем. - М.: МГГУ, 2000, - с. 303.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Шек Валерий Михайлович — доцент, доктор технических наук, Московский государственный горный университет. Филиппова Анна Александровна — аспирантка, магистр, Московский государственный горный университет.
