авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Методы и технологии для оценок экологическогосостояния природно-технических систем с использованием математического и геоинформационного моделирования

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Фалейчик Лариса Михайловна

Методы и технологии для оценок экологического
состояния природно-технических систем
с использованием математического И
геоинформационного моделирования

Специальность 25.00.36 – Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Чита – 2010

Работа выполнена в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ИПРЭК СО РАН), ГОУ ВПО «Читинский государственный университет»

Научный руководитель: доктор экономических наук, профессор

Глазырина Ирина Петровна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Костромин Михаил Витальевич

кандидат технических наук

Федорова Наталья Владимировна

Ведущая организация: Институт вычислительной математики и
- математической геофизики СО РАН,
г. Новосибирск

Защита состоится «23» апреля 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.299.02 при Читинском государственном университете (г. Чита, ул. Александрово-Заводская, д. 30, ЧитГУ, зал заседаний ученого совета)

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:
672039, г. Чита, ул. Александро-Заводская, 30, ЧитГУ,
ученому секретарю совета Д 212.299.02

Факс: (3022) 41-64-44; E-mail: root@chitgu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке
Читинского государственного университета

Автореферат разослан « 22 » марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук Шарапов Н.М.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Проявляющаяся сырьевая направленность экономик отдельных регионов России, в том числе и Забайкальского края, развитие которых происходит за счет первоочередного освоения их минерально-сырьевых ресурсов, приводит к существенному увеличению техногенной нагрузки на окружающую среду территории, к ухудшению качества природных сред, что представляет угрозу для безопасности жизнедеятельности на этих территориях. Особенности географического положения, геоморфологических и природно-климатических условий Восточного Забайкалья обусловливают, в частности, высокий потенциал атмосферного загрязнения и крайнюю неустойчивость экосистем (особенно Севера края) к антропогенному воздействию. По этой причине развитие горнодобывающего и топливно-энергетического комплексов и постоянное наращивание транспортной инфраструктуры на территории края для освоения его минеральных и лесных ресурсов, сопровождающиеся вмешательством в функционирование экосистем, ведет к снижению качества геоэкологической среды, условий жизнедеятельности человека.

На современном этапе развития вычислительной техники и информационных технологий наблюдается значительный прогресс в создании и использовании средств обработки, передачи и хранения информации, различным образом организованной и структурированной. Для полноценного анализа ситуации, принятия правильных решений в сфере охраны и сохранения сложных экосистем одной «голой» информации явно недостаточно. Необходимы соответствующие адекватные и надежные способы ее обработки, анализа и представления. Оценка антропогенных воздействий на геоэкосистемы без использования современных методов математического моделирования и ГИС-технологий становится трудноразрешимой задачей.

Работа выполнялась в рамках программ научных исследований Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (ранее ЧИПР СО РАН) таких как: Программа № 5 «Математическое моделирование, информационные технологии и вычислительная техника" по научному направлению 8 "Математическое моделирование», проект 1: «Математическое моделирование природных процессов и анализ влияния антропогенных факторов на экосистемы Забайкалья»; Программа 24.1. «Природные процессы в ландшафтной оболочке Земли и их эволюция с учетом антропогенного воздействия, географической основы сбалансированного развития территорий», Проект 24.1.6. «Потенциал сбалансированного развития районов периферийного типа (на примере Забайкалья)»; Программа 7.12.3. «Структурно-функциональная организация ландшафтов и научные основы рационального природопользования в условиях роста техногенных воздействий», проект 7.12.3.5. «Потенциал сбалансированного развития, экологический анализ состояния и оценка качества экономического роста трансграничных территорий (на примере Забайкалья); Программы СО АН СССР “Сибирь”, “Новые поколения вычислительной техники, математическое моделирование и информационные технологии”, “Биосферных и экологических исследований” и др., а также в рамках научных исследований по нескольким хоз. договорам.

Кроме того, исследования выполнялись при поддержке грантов:

Глобального Экологического Фонда – Грант Global Environment Facility Trust Fund TF028315, (1997-2003), проект «Сохранение Биоразнообразия Российской Федерации"; Российского Гуманитарного Научного Фонда (РГНФ) – проекты: №04-02-00182а «Динамика процессов природопользования и качество экономического роста природно-ресурсного региона», 2004-2006; №07-02-00056а «Воздействие инструментов государственного регулирования на экологическую модернизацию экономики», 2007-2009; № 08-02-12101в «Информационно-аналитическая система для исследования динамики и качества экономического роста приграничных регионов», 2008-2009.

Работы по данным программам и проектам выполнялись при непосредственном участии автора.

Объект исследования – природные и природно-технические системы (Восточной Сибири).

Предмет исследования – антропогенное воздействие на природную среду и его последствия.

Цель исследования – разработка методов и технологий обработки и использования в среде ГИС многофакторной информации, в т.ч. и результаты сценарных расчетов по математическим моделям, для оценки состояния природных сред и прогноза их изменения в результате природопользования и техногенного воздействия.

Идея работы – комплексное использование математического и геоинформационного моделирования как инструмента геоэкологических исследований с целью прогноза и оценки экологической безопасности.

Для достижения указанных целей были поставлены и решены следующие
основные задачи:

  • усовершенствовать математическую модель гидродинамики атмосферы над ограниченной территорией со сложным рельефом для учета термических и динамических неоднородностей и разработать алгоритмы и программный комплекс ее численной реализации;
  • провести апробацию разработанного программного комплекса для ряда территорий Забайкальского края (Читинской области), в числе которых Чарская котловина, бассейны рек Хилок и Баляга в пределах Байкальской природной территории;
  • разработать схему использования геоинформационных технологий для совершенствования методологии сценарного анализа, прогноза и оценки последствий антропогенного вмешательства в природную среду территорий;
  • разработать технологию и создать программный модуль, автоматизирующий процессы извлечения из цифровых моделей информации о подстилающей поверхности (рельеф местности и др. характеристики), их обработки и ввода с целью последующего использования в качестве входной информации для численного моделирования последствий техногенного воздействия;
  • провести апробацию предложенного подхода и созданного модуля для ряда существующих и проектируемых объектов, в том числе для проектов строительства Богучанской и Мотыгинской ГЭС;
  • разработать методику анализа многофакторной информации, основанную на использовании геоинформационных технологий, для оценки последствий природопользования и техногенного воздействия на экосистемы, животный мир (оценка ущерба от строительства железнодорожной линии Нарын-Лугокан), построения и расчета интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды.

Научная новизна и значимость работы. Научная значимость выполненной работы заключается в ее междисциплинарном характере, комплексном использовании возможностей математического моделирования и геоинформационных технологий как метода геоэкологических исследований и инструмента выявления закономерностей взаимодействия природных и природно-технических систем, прогноза и оценки последствий этого взаимодействия, что привело к следующим результатам, содержащим элементы научной новизны:

  1. Разработана и реализована в виде программно-аналитического комплекса методология прогноза и оценки состояния природных и природно-технических систем, последствий техногенных воздействий на окружающую среду, основанная на использовании геоинформационных технологий в математическом моделировании локальных атмосферных процессов над ограниченными территориями с неоднородным рельефом. Использование этой методологии для проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС позволило дать прогноз изменений микроклимата в результате строительства этих гидротехнических сооружений;
  2. Разработано и апробировано ГИС-приложение, предназначенное для построения регулярной прямоугольной расчетной сетки с любым заданным количеством узлов и с любым шагом, в любых единицах измерения, для привязки к ней информации о подстилающей поверхности и подготовки ее для использования в численной модели гидродинамики атмосферы.
    Данный модуль является эффективным инструментом планирования и проведения численных экспериментов для прогноза воздействия технических сооружений на окружающую среду, позволяет быстро получать информацию разной степени разрешения (с разными количеством узлов и шагами сетки), автоматизируя процессы ее получения, обработки и ввода в модель. Инструментарий модуля автоматизирует и существенно ускоряет и процесс ввода, отображения и анализа результатов моделирования в ГИС;
  3. Разработан и реализован в среде ГИС сценарий прогнозной оценки ущерба от техногенного вмешательства в геоэкологическую среду. Предложенный инструментарий был апробирован в задаче прогнозной оценки размеров ущерба животному миру в результате строительства и функционирования проектируемой железнодорожной линии Нарын-Лугокан:
  4. Предложен алгоритм построения интегральных социо-эколого-экономических индикаторов качества геоэкологической среды, основанный на использовании аналитических возможностей геоинформационных систем.

Положения, выносимые на защиту:

  1. Использование разработанного программного комплекса численной реализации вариантов трехмерной мезомасштабной модели гидродинамики атмосферы, включающего специализированные блоки подготовки входной информации о характеристиках рельефа и микроклимата территорий, визуализации и анализа результатов моделирования, позволяет оценивать и прогнозировать изменения качества атмосферы в областях со сложным рельефом.
  2. Предложенная методика, основанная на комплексировании результатов геоинформационного и математического моделирования, предназначена для оценки состояния и прогнозирования изменений качества геоэкологической среды в природных и природно-технических системах, а также для выявления степени экологической безопасности проектируемых объектов и возможного ущерба в результате реализации их проектов.

Достоверность результатов проведенных исследований, обоснованность сформулированных в работе научных положений и выводов обеспечена:

    • использованием современных методов исследований и технологий,
    • использованием в качестве базовых признанной мировой наукой математической модели гидродинамики атмосферы и ее методов реализации,
    • большим количеством тестовых расчетов, результаты которых подтверждают адекватность применяемых схем и алгоритмов,
    • достаточным количеством вычислительных экспериментов, выполненных при исследовании природно-технических систем с различными природно-климатическими условиями и уровнями техногенной нагрузки,
    • удовлетворительной сходимостью расчетных значений с данными наблюдений: относительная погрешность результатов не превышает 10%,
    • апробацией результатов на международных и всероссийских конференциях,
    • использованием материалов исследований в инженерно-экологических изысканиях и ОВОС крупных технических проектов.

Личный вклад состоит в постановке целей и задач исследования, разработке алгоритмов и методов решения, их реализации.

Поставленные цели и задачи проведенных исследований соответствуют пунктам 15, 17, 20 и 21 паспорта специальности 25.00.36 «геоэкология».

Практическое значение, апробация и внедрение. Материалы работы вошли в научные монографии «Экология городского водоема» (1998), «Экологические индикаторы качества роста региональной экономики» (2005), Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды в Читинской области за 2004-2005 годы» (2007), в тематические сборники статей, в отчеты по хоз. договорам.

Методология численного моделирования и созданный программный комплекс использовались в исследованиях (совместно с А.А. Фалейчиком) мезометеорологических процессов и особенностей распространения загрязнений на территориях со сложным рельефом, таких как Чарская и Читино-Ингодинская котловины, для оценки антропогенного влияния на экосистемы рек Байкальского бассейна – Хилок и Баляга, в пределах Байкальской природной территории. Автор участвовала в работах по оценке возможных микроклиматических изменений в рамках экологических экспертиз таких крупных проектов как строительство Шилкинской и Катунской ГЭС.

Предложенные методология и алгоритм оценки влияния природно-технических систем на природную среду окружающих территорий применены в исследованиях, проводимых в рамках экологических экспертиз проектов Богучанской и Мотыгинской ГЭС на Ангаре (совместно с А.А. Фалейчиком и Э.А. Пьяновой). Использование созданного программного модуля позволило существенно сократить сроки выполнения работ. Материалы исследований переданы заказчику.

Результаты исследований по Богучанской ГЭС вошли в «Важнейшие результаты завершенных в 2008 г. фундаментальных исследований ИПРЭК СО РАН».

Результаты приведенных в диссертации исследований по моделированию атмосферных процессов в природно-технических системах Забайкальского края и Нижнего Приангарья могут быть использованы для принятия решений по планированию жилищной, промышленной и рекреационных инфраструктур, выбору технико-эксплуатационных параметров и режимов функционирования технических комплексов, при разработке и проведении различных природоохранных мероприятий.

Предложенный автором геоинформационный подход к оценке состояния геоэкологической среды был использован в задачах оценки а) техногенной нагрузки на окружающую среду территории России и экосистемы Забайкальского края и б) качества жизни населения Забайкальского края.

Разработанная технология оценки техногенного воздействия на природную среду использована в инженерно-экологических изысканиях и разработке системы экологического мониторинга к проекту создания транспортной инфраструктуры юго-востока Забайкальского края, проект ж.д. линии Нарын-Лугокан. Материалы исследований переданы заказчику.

Автор дважды (в 2003 и 2006 гг.) представляла результаты исследований на конкурс в SCGIS (The Society for Conservation GIS) – Международное общество природоохранных ГИС, получала индивидуальные гранты и приглашения на конференции общества, а также и на 23-ю и 26-ю Ежегодные международные конференции пользователей программных продуктов ESRI для выступлений с докладами о проведенных исследованиях. В конкурсе по природоохранной программе «The ESRI Conservation Program» компании ESRI, Inc., США, автор выиграла 2 гранта, по которым в 2003 и 2006 гг. были получены программные продукты компании ArcView 3.3 и ArcEditor 9.2 семейства ArcGIS с дополнительными модулями.

Кроме того, все результаты проведенных исследований неоднократно докладывались на других международных, всесоюзных, всероссийских, региональных и вузовских конференциях (всего более 40), среди которых:

  • International Conference on Computational Information Technologies for Environmental Sciences, CITES-2007, Томск, CITES-2009, Красноярск,
  • XI International conference IBFRA, Workshop GOFC “Boreal Forests and environment: local, regional and global scales”, 2002, Международная конференция «Ресурсная экономика, изменение климата и рациональное природопользование – 2009», Красноярск,
  • Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды: ENVIROMIS- 2008, VI Международный симпозиум «Контроль и реабилитация окружающей среды: КРОС-2008», XIII, XIV, XVI Рабочие группы «Аэрозоли Сибири», 2006–2009, XIII Международный симпозиум «Оптика Атмосферы и Океана. Физика Атмосферы», 2006, V Международная конференция «Природные пожары: возникновение, распространение, тушение и экологические последствия», 2003 – г. Томск,
  • VIII Международная конференция РОЭЭ «Экономическое развитие и окружающая среда: стратегии, модели, инструменты управления», Сочи, 2007,
  • IV, V Всероссийские конференции "Актуальные проблемы прикладной математики и механики", посвященные памяти академика А.Ф. Сидорова, 2008-2009, XII, XIII Всероссийские Школы-Семинары "Современные проблемы Математического Моделирования", 2007, XXXVI, XXXVII Всероссийские школы-семинары «Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования», 2008-2009, Абрау-Дюрсо,
  • VI, VII, VIII, IX Всероссийские научно-практические конференции «Кулагинские чтения», 2006 – 2009, Чита.

Результаты исследований и опыт, приобретенный в процессе их выполнения, используются автором в учебном процессе и дипломном проектировании студентов специальности прикладная информатика в Читинском государственном университете.

Для решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования атмосферных процессов, численные методы, геоинформационное и математико-картографическое моделирование.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, из них: 6 статей в реферируемых журналах, разделы в 2 монографиях, 10 статей в научных сборниках. Есть рукописные работы (научные отчеты по госбюджетным и хоздоговорным темам).

Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы из 183 наименований. Общий объем работы – 200 страниц, в том числе: 1 таблица, 54 рисунка и 7 приложений.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю д.э.н. И.П. Глазыриной, д.т.н. В.П. Мязину и Д.М. Шестерневу за высказанные замечания, ценные советы и консультации, к.ф.-м.н. А.А. Фалейчику и Е.А. Цветовой, Э.А. Пьяновой и Е.А. Клевакиной за постоянную поддержку и внимание, неоценимую помощь, консультации по содержанию и оформлению работы; д.г.-м.н. Б.Н. Абрамову и к.г.н. И.Е. Михееву за внимание и ценные советы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.