Методы анализа геоэкологических проблем

     Согласно  работам Г. А. Голодковской, Д.Г. Зилинга  выделяются четыре блока эколого-геологических карт, необходимых для решения задач ОВГС — оценки воздействия на геологическую среду:

     1) Первый блок - карты, характеризующие геологическую среду на основе карт геологического, геоморфологического, инженерно-геологического и гидрогеологического содержания, дающих информацию о природных свойствах геологической среды на глубину проектируемого техногенного воздействия;

     2) Второй блок - карты, характеризующие техносферу. Он объединяет, по крайней мере, две карты: источников техногенной нагрузки (карту антропогенного или инженерно-хозяйственного освоения территории) и карты техногенного воздействия на геологическую среду. Кроме того, в блок входит и карта функционального устройства территории;

     3) Третий блок - карты измененности геологической среды под влиянием техногенного воздействия или карты современного состояния геологической среды. Они могут быть как поэлементные (оценочные), так и суммарные (синтетические). По терминологии ВСЕГИНГЕО, это и есть собственно “геоэкологическая карта”;

     4) Четвертый блок - карты прогнозного и рекомендательного содержания [2].

     Содержанием карты-схемы организации  мониторинга геологической среды являются три основных блока, отражаемых на карте и составляющих три основных блока ее легенды:

       1) типологическое инженерно-геологическое районирование геологической среды рассматриваемой территории;

     2) техногенные воздействия, отражаемые на карте в соответствии с их типизацией;

     3) наблюдательная сеть (СППИНФ) мониторинга.

     Практическая  реализация карты-схемы  организации мониторинга геологической среды проводится в три этапа исходя из ее структуры.

     Сначала на основе разработанной легенды проводится районирование территории, затем, на втором этапе—анализ и типизация техногенных воздействий и их отражение на карте-схеме. На третьем этапе в соответствии с принятыми условными обозначениями наносится сетьСППИНФ мониторинга.

     На  втором этапе составляется карта хозяйственного освоения данной территории. Основная цель этой карты — показать расположение всех источников техногенных воздействий для их последующего анализа и учета оказываемых ими техногенных воздействий.

     На  третьем этапе составляется карта техногенных воздействий на геологичекую среду. Карта отражает не только все типы, виды и разновидности техногенных воздействий, но также содержит информацию об их пространственном распространении, о зонах влияния инженерных сооружений, интенсивности воздействий (слабое, сильное и т.п.).

     Рассмотренный здесь в качестве примера порядок  составления карты-схемы организации  мониторинга геологической среды  территории раскрывает лишь общую схему картографирования [14].  

2.3 Моделирование, прогноз и управление в системе

мониторинга 

2.3.1 Моделирование в  системе мониторинга

     Группы  моделирования:

     1) Детерминированное моделирование;

     2) Смешанное моделирование.

     Среди них наибольшее распространение  получила подгруппа материального лабораторного моделирования:

     1) физическое - метод эквивалентных материалов, тензосетки, фотоупругости, центробежного моделирования и др.

     2) математическое - аналоговое, цифровое и др.

     При организации мониторинга в связи с расширением в стране компьютерной базы все большее распространение получают различные виды математического (аналитического) моделирования с помощью ЭВМ в форме детерминированного и вероятностного моделирования. [7].

     При организации моделирования в  системе мониторинга важно уметь  создать модель ПТС, объектов геологической  среды или ее элементов, отражающую взаимодействие природной и техногенной компонент. Для этого должна использоваться теория системного анализа.

     В системном анализе применяется  такой термин, как входной эффект, или вход, под которым понимается любое воздействие на систему со стороны окружающей или внешней среды, или соседней системы. В качестве входного эффекта может рассматриваться любой вид техногенного воздействия на геологическую среду или их комплекс. И наоборот, соответствующими выходными эффектами, или выходами, называются изменения, которые претерпевает система. Входные эффекты представляют собой внешние факторы по отношению к рассматриваемой системе (техногенная компонента), а выходные эффекты могут быть изменениями ее свойств и характеризоваться комплексом параметров (реакция геологической среды или ПТС) [6].

     Типы  моделей систем (рис. 4):

     1) Модель типа «черный ящик»- когда ничего неизвестно о внутреннем составе и устройстве самой исследуемой системы, ее модель можно представить в виде непрозрачного “ящика”, выделенного из окружающей среды, так называемого “черного ящика” (рис. 4,а). Эта, максимально простая, модель по-своему отражает два следующих важных свойства системы: целостность и обособленность от среды.

     

     Рис. 4. Типы статических моделей систем: а — модель “черного ящика”; б — модель состава; в — модель структуры; г — структурная схема модели системы (по Ф.И. Перегудову и Ф.П. Тарасенко, 1989)

     Модель  “черного ящика”, несмотря на всю ее простоту, оказывается весьма полезной, в том числе и при анализе  различных природно-технических систем

     Недостатком модели “черного ящика” является то, что она не дает возможности изучить  внутреннее устройство системы. Для  этого нужны более детальные модели состава и структуры.

     2) Модель состава системы - внутренность “ящика” оказывается неоднородной, что позволяет различать те или иные составные части системы, к которым относятся элементы (неделимые части системы) и подсистемы (состоящие более чем из одного элемента). При необходимости в модель можно ввести “подподсистемы” и т.д. для разных уровней (рис. 4,б).

     Построение  модели состава системы тоже является непростым. Модель состава ограничивается снизу тем, что считается элементом, а сверху тем, что считается границей системы. Как эта граница, так и границы разбиения на подсистемы определяются целями построения модели и, следовательно, не имеют абсолютного характера. В то же время это не означает, что сама система и ее состав нереальны. Мы имеем дело не с разными системами, а с разными моделями систем.

     3) Модель структуры системы - графически модель структуры выражается в виде набора связей разного типа между элементами (рис. 4,е).

     В модель структуры  мы включаем только конечное число связей, которые по нашему мнению, существенны по отношению к рассматриваемой цели. Трудность обычно состоит в том, что мы знаем не все реально существующие отношения и вообще неизвестно, является ли конечным их число.

     4) Комплексная модель системы - в ней указываются все элементы системы, все связи между элементами внутри системы и связи определенных элементов с окружающей внешней средой (т.е. входы и выходы системы). Графически структурная схема системы содержит в себе все элементы ее составных моделей (рис. 4,г) [9]. 

     2.3.2 Виды и методы  прогнозирования  изменений геологической  среды 

     Прогноз изменения геологической  среды — это научно обоснованное предсказание тех изменений, которые могут произойти в геологической среде в будущем в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека или естественного хода развития природы, выполненное на основе информации, накопленной к настоящему времени.

     По  В.А. Мощанскому и  Г.К. Бондарику, можно  различать следующие виды прогнозов:

     -по их содержанию: ретроспективные, поисковые, нормативные, качественные, полуколичественные и количественные;

     -по  методу прогнозирования: экспертные, аналоговые, сравнительно-геологические или историко-геологические, расчетные (математические, в том числе вероятностно-статистические) и экспериментальные;

     -по  отношению ко времени прогнозирования:  срочные, бессрочные, безотносительные ко времени;

     -по  отношению к пространству: глобальные, региональные, локальные, детальные;

     -по  отношению к охвату инженерно-геологических  и гидрогеологических условий: общие, частные, поэлементные, комплексные или интегральные.

     Что касается использования перечисленных  видов прогнозов в системе  мониторинга геологической среды, то большинство из перечисленных  видов так или иначе применяется  при мониторинге. Однако чаще всего  в мониторинге геологической среды используется или разрабатывается ретроспективный или экстраполяционный прогноз изменений геологической среды. Для систем мониторинга разного уровня (ранга) разрабатываются прогнозы соответствующего уровня:

     -региональный прогноз — предсказанные изменения геологической среды крупных территорий с комплексной техногенной нагрузкой;

     -локальный прогноз — предсказанные изменения геологической среды территории определенного хозяйственного комплекса;

     -детальный прогноз — предсказанные изменения геологической среды территории отдельного сооружения или объекта.

     В зависимости от содержания прогнозов в системе  мониторинга применяются:

     -ретроспективный — прогноз будущих состояний системы на основе анализа тенденций (трендов) ее прошлого развития;

     -поисковый — предсказание возможного состояния объекта прогнозирования в будущем на основе изучения тенденций развития в прошлом и настоящем;

       -нормативный — определение путей и сроков достижения заранее намеченных состояний объекта прогнозирования в будущем, принимаемых в качестве цели.

     Если  в ходе мониторинга прогноз проводится для какого-либо отдельного процесса или компонента геологической среды, то он называется частным (поэлементным) и, напротив, интегральный (комплексный) — прогноз на основе частных прогнозов с суммарной оценкой прогнозируемых изменений геологической среды.

     Прогноз изменения геологической среды  в системе мониторинга является составной частью исследований по оценке воздействия на окружающую среду и предшествует собственно ее разработке. Прогноз разрабатывается на основе проработки комплекса всей ретроспективной информации о геологической среде и ее изменениях, на основе моделирования, прогнозных карт для какой-либо территории, объекта или комплекса и на определенный срок. Он должен учитывать воздействие различных видов техногенной нагрузки на геологическую среду, изменения которой происходят как за счет антропогенеза, так и за счет естественного хода развития природы.

     Большинство видов частных (оценочных) прогнозов  имеет вероятностную природу, в результате чего и сам комплексный (суммарный, интегральный) прогноз изменения геологической среды в системе мониторинга приобретает в значительной степени вероятностный характер, что требует оценки вероятности ошибок. Для этого при обработке первичных и промежуточных материалов мониторинга геологической среды используются общепринятые методы теории вероятностей, статистические или стохастические модели и методы обработки фактического материала.

     Таким образом, при составлении прогнозов  в системе мониторинга используется широкий комплекс методов. Как правило, сложность вопроса заключается в выборе наиболее надежного и наиболее целесообразного метода прогнозирования из числа методов, рекомендуемых для того или иного вида техногенного воздействия или процесса. Более того, во многих случаях использование только одного какого-либо метода представляется недостаточным и требуется использование комплекса методов прогнозирования [6].