CC BY
150
УДК 316.32.000.141 © 2013: М.П. Федоров, А.А. Музалевский; ФНИ «XXI век»
ИНДИКАТОРЫ И ИНДЕКСЫ В МОДЕЛИРОВАНИИ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
М.П. Федоров, А.А. Музалевский
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт-Петербург, Россия
Эл. почта: [email protected]; [email protected] Статья поступила в редакцию 16.01.2013; принята к печати 28.08.2013
Рассмотрены методологические аспекты моделирования структурно-сложных систем — урбанизированных территорий — и представлена модель системы. Описан методический аппарат (инструмент) исследования таких систем — индикаторы и индексы. Рассмотрен вариант, когда предлагаемый инструмент исследования в значительной степени предопределяет анатомию, тип, структуру и конфигурации самой модели. Урбанизированная территория моделируется на основе известной ранее модели природно-технической системы (ПТС), которая в данном сообщении существенно дополнена и детализирована и названа модифицированной моделью ПТС. Сформулированы переработанные авторами известные и новые, оригинальные идеи индикаторного подхода и индексной квалиметрии, пригодные для описания как экологического состояния и качества, так и экологической устойчивости ПТС. Эти идеи, способы и методы вместе с модифицированной моделью ПТС организованы в общую целостную картину — системный подход, на основе которого на макроскопическом уровне могут быть описаны процессы и эффекты, происходящие в подсистемах общей системы и влияющие на ее качество и экологическую устойчивость, на языке, понятном для лиц, принимающих решение. Показано, что аппарат индикаторов и индексов с приемлемой для практики точностью позволяет в рамках предложенной модели количественно оценить уровень экологической безопасности на урбанизированной территории и ее экологическую устойчивость и выявить значимые в практическом плане тренды в динамике экологических параметров системы. Подчеркнуто, что научно обоснованные индикаторы и индексы как инструмент исследования структурно-сложных систем позволяют отказаться от концепции предельно допустимых концентраций (ПДК) и создать базу знаний для последующего построения эффективной схемы оценки их качества и управления ими, обеспечивающего сбалансированное динамическое равновесие между ПТС и окружающей средой.
Ключевые слова: система, модель системы, геотехническая система, природно-техническая система, окружающая среда, экологическая устойчивость, индикаторы, индексы.
INDICATORS AND INDICES IN MODELING OF SYSTEMS COMPRISING INDUSTRIAL OBJECTS AND THEIR ENVIRONMENT
M.P. Fedorov, A.A. Muzalevsky Saint-Petersburg Polytechnical University, Saint Petersburg, Russia
E-mail: [email protected]; [email protected]
The methodological aspects of modelling of structurally complex systems comprising urbanized areas are discussed and a generalised model based on the previously developed model of systems comprising industrial objects and their environment (nature-industry systems, NIS) is suggested. The methodological apparatus (instrument) operating with indicators and indices for investigating and modeling of such systems is described. A situation is considered where the described instrument predetermines model type, structure and configuration. Conventional and original ideas related to indicator-based approaches to and index-based qualimetry for the characterization of environmental conditions and stability of NIS are presented and combined with the generalised NIS model to form a systemic approach to representing, on the macroscopic level and in terms understandable by policy makers, the phenomena, processes and effects that take place in the subsystems of a general systems and influence its environmental quality and stability. Within the framework of the proposed model, the use of indicators and indices provides for making quantitative estimates of the environmental safety of urbanized areas at a practically acceptable accuracy and for revealing significant trends in the dynamics of the environmental parameters of a system. Science-based indicators and indices applied to investigating structurally complex systems make it possible to abandon the use of maximal allowable concentrations for this purpose and to develop a knowledgebase for subsequent designing of an efficient procedure for estimating the quality of such systems and for operating them in a way ensuring a dynamic balance between IES and their environment.
Keywords: system, model, geotechnical system, nature-industry system, environment, environmental stability, indicators, indices.
Введение
Все углубляющийся глобальный экологический кризис заставляет политиков и ученых уделять большее внимание охране окружающей среды, рациональному природопользованию, обеспечению экологической безопасности и разработке схем и систем оценки и управления экологической устойчивостью (экологической безопасностью) городов-мегаполисов, крупных промышленных и производственных объектов, водохозяйственных и энергетических систем со сложной разветвленной и многофункциональной инфраструктурой.
В этой связи представляют несомненный интерес разработка, модификация и совершенствование моделей таких сложных объектов, а также способов описания их экологического состояния и качества. Необходим методический аппарат, с помощью которого можно исследовать, оценивать, контролировать и управлять состоянием и качеством сложного объекта и качеством природной среды в их взаимодействии путем применения новых показателей, в том числе специальных величин. При этом желательно, чтобы информация на выходе была представлена в форматах, понятных субъектам (системам) управле-
ния. Иначе говоря, методология исследования структурно-сложных систем в результате ее применения на практике должна обеспечить получение такой информации, на основе которой возможно планирование и применение совокупности мероприятий, способных обеспечить требуемый уровень экологической устойчивости, а значит, и соответствующий уровень экологической безопасности.
В макроскопическом (феноменологическом) подходе, наиболее часто применяемом в теоретической и прикладной экологии, антропогенный объект и окружающую его природную среду заменяют некоторой моделью и в рамках этой модели пытаются описать состояние и качество того и другого путем задания, пускай достаточно большого, но ограниченного числа параметров. Тогда устойчивость - это одно из многих возможных состояний системы [4, 6, 11, 20-24, 31].
В известных подходах критерии экологической устойчивости формулируются как набор требований по обеспечению постоянства или небольших колебаний значений этих параметров в процессе функционирования интересующей нас системы. В состоянии устойчивости у объекта (системы) появляются ряд свойств, например способность самостоятельно сохранять значения требуемых параметров и гасить внешние воздействия, если их интенсивность не превышает критических значений [4].
Существует довольно много типов и видов устойчивости: устойчивость зданий и сооружений в строительстве, устойчивость летательных аппаратов, устойчивость надводных кораблей и устойчивость подводных лодок и т. д. и т. п. Понятие устойчивости с соответствующими прилагательными, к примеру, социальная устойчивость, политическая устойчивость, техническая устойчивость, устойчивое развитие и пр. и пр. - существует практически во всех сферах нашей жизни. В каждом конкретном случае, как правило, дается свое определение устойчивости, что прописывается в нормативных документах, принимаемых отдельными министерствами и ведомствами (в России это, например, МЭПР - министерство экологии и природных ресурсов, МЧС - министерство по чрезвычайным ситуациям и др.). Определение устойчивого развития дается в документах Рио-92 [7, 11]; заметно пересмотренное, оно представлено в документах Рио+ 20 (2012 г.).
Довольно часто рядом со словом устойчивость мы видим и такие слова, как стабильность, надежность, живучесть и т. д., что означает существование связи между устойчивостью и другими аналогичными характеристиками системы [18, 22, 23].
Что касается экологической устойчивости, отметим, что в данном контексте под экологической устойчивостью штатно функционирующих антропогенных объектов и природной средой, в которую они вмонтированы, понимается их динамическое равновесие между собой, при котором численные значения параметров компонентов природной среды и параметров состояния ПТС, характеризующих эту устойчивость, не выходят за пределы разрешенных на сегодняшний день значений, определенных различного рода соглашениями, нормативными документами или даже Указами Президента России1.
1 Указ Президента РФ от 01.04.1996 г. № 440 «Концепция перехода Российской Федерации на путь устойчивого развития».
Встречаются и иные подходы к определению экологической устойчивости. Так, в работе [2] состояние системы (а значит, и ее устойчивость) предлагается определить (конечно, также в рамках конкретной модели) путем ввода уровней, отвечающих за эти состояния. Изменения уровней описывают с помощью понятия темпа. Эти темпы определяют активность, интенсивность, скорость и направление протекания процессов в системе. По существу, подобный подход, применяя модели типа белого, серого или черного ящика, оперирует параметрами входа и параметрами выхода и вводит понятие обратной связи между ними. Потеря устойчивости такой системы может произойти при условии, когда положительные связи превысят некоторые пороговые значения и процессы, протекающие в системе, становятся неуправляемыми.
Определения экологической устойчивости с соответствующей качественной шкалой ее уровня широко представлено и в западной литературе [6, 23]. В 2005 г. рядом международных организаций (World Economic Forum, Joint Research Centre of European Commission и др.) была закончена разработка системы показателей экологической устойчивости среды обитания. В системе - 21 индикатор, они включают 76 переменных, список которых приводится в документах международных экологических организаций [6]. После экспертных оценок этих показателей-индикаторов рассчитывается суммарный индикатор экологической устойчивости (Environment Sustain-ability Indicator, ESI), определяемый как простая сумма этих индикаторов. Полученная сумма сопоставляется со значениями балльной шкалы, и в таком варианте экологическая устойчивость может быть «слабой», «средней» и т. д. С целью уточнения уровня экологической устойчивости дополнительно привлекают и другие индикаторы, например, индикаторы экологической уязвимости [6].
Заметим, что этот список постоянно пересматривается, меняется и число индикаторов, описывающих эту устойчивость: только в последние семь лет их количество колебалось от 240 до 21. Это означает, что непрерывно меняются и взгляды на определение экологической устойчивости. Тем не менее, ученые и специалисты используют понятие устойчивости, в том числе и экологической устойчивости, в силу ее практической значимости и полезности, но при этом всегда оговаривают, что они под этим понимают в данном контексте [4, 11, 19-21].
В заключение заметим, что экологическая устойчивость часто ранжируется по вертикальной шкале, то есть можно говорить о локальной экологической устойчивости, национальной, региональной и, наконец, глобальной экологической устойчивости всей биосферы в целом [4].
1. О моделировании урбанизированных территорий
А. Общие замечания
Урбанизированные территории относятся к классу сложных (структурно-сложных) систем, и их исследование необходимо осуществлять с использованием разработанных для этих целей специальных подходов [1, 2, 5, 6, 21, 23, 24].
Современное моделирование в теоретической и прикладной экологии основывается, главным образом, на системном подходе, в котором отношения
(взаимосвязи) между явлениями имеют первичное, а сами явления - вторичное значение [4, 5, 11, 24]. Для определенности скажем, что нами системный подход трактуется как совокупность идей, методов, способов и приемов, заимствованных из разных областей знаний, объединенных в единое целое, с помощью которого мы движемся к поставленной цели и решаем сформулированные под эту цель задачи. В шкале иерархий системный подход выше междисциплинарного подхода и включает его в себя.
Немаловажным всегда остается вопрос о способе введения времени в модель сложной системы, если нас интересует ее эволюция. При этом необходимо учитывать, что в случае медленного развития процессов изменения в антропогенном объекте и окружающей среде можно применять статические приближения. Так и поступают на практике. Если же нас интересуют временные эффекты, то поступают следующим образом: динамика явления определяется из рядов наблюдений, составленных в хронологическом порядке, в которых данные наблюдений представляют собой то, что измерено на конкретный момент времени наблюдения. Этот метод получил широкое распространение [11, 14].
Прогнозирование последствий относительно быстро протекающих процессов требует отказа от статического представления и перехода к динамическому рассмотрению с привлечением дифференциальных уравнений, например, уравнения Ланжевена [8-10]. Этот путь на практике почти не применяется вследствие его сложности. Поэтому в таких случаях свойства объекта исследования изучаются либо по отдельным компонентам, характеризующимся достаточно заметно меняющимися параметрами, либо по концептуальным моделям.
Урбанизированная территория - открытая система. Это значит, что через нее осуществляются переносы потоков вещества, энергии и информации и, соответственно, есть входы и выходы. Одновременно с этим часть веществ может участвовать в процессах повторно, образуя замкнутые циклы (петли обратных связей), то есть при моделировании сложных систем создание сквозных математических моделей (отображающих все стороны исследуемой системы) крайне затруднено, поскольку необходимо использовать многомерные модели с большим количеством переменных и соотношений между ними. Из-за громоздкости таких моделей становится неосуществимым их аналитическое исследование, усложняются задачи идентификации параметров информационного обеспечения и их проверки на адекватность [19, 23, 25]. В связи с этим на практике при разработке моделей сложных систем бывает целесообразно использовать систему частных моделей, отображающих те или иные стороны исследуемого процесса.
Примерами таких частных моделей являются разработанные и применяемые на практике математические модели переноса загрязнений, позволяющие прогнозировать эволюцию загрязнений, анализировать различные сценарии развития событий, предлагать рекомендации по ликвидации последствий нежелательных явлений [11, 14].
Предлагаемые на сегодняшний день модели, как полагают их разработчики, позволяют целенаправленно накапливать экспериментальные и теоретические данные о значимых параметрах сложной си-
стемы, а также обосновать доработку программных и технических средств анализа информации, получаемой при мониторинге различных явлений и процессов, связанных с антропогенным воздействием урбанизированной территории на компоненты окружающей среды [1, 2, 11, 16, 17, 23, 24].
Детальный анализ вопроса моделирования урбанизированных территорий для решения задач, связанных с рациональным природопользованием, охраной окружающей среды и обеспечением экологической безопасности, показывает, что многим разработанным моделям присущи некоторые общие недостатки, суть которых можно свести к следующему:
- отсутствие прозрачности модели, ее «многоэтаж-ность» и громоздкость, наличие множества «опор и подпорок» (например, частных моделей);
- нечеткое, смазанное представление о входных и выходных параметрах модели;
- отсутствие указаний на конкретные подсистемы, их взаимосвязи и взаимозависимости, в том числе и их функциональную связь;
- введение блоков, не являющихся обязательными с точки зрения оценки экологического состояния системы и окружающей среды;
- большое число задач, которые разработчики пытаются решить с помощью одной модели, что означает ее нежизнеспособность;
- отсутствие указаний на выбранный уровень описания и получаемую при этом степень приближения (точности);
- отсутствие оценки полноты описания (оценки неопределенности).
Б. Модифицированная модель урбанизированной территории
В работах [15-17, 24] была предложена модель энергетического объекта, погруженного в природную среду, получившая название природно-техни-ческая система (ПТС). Эта модель постоянно уточнялась и совершенствовалась. Доработанный ее вариант представлен в 2007 г. в работах [18, 23, 25]. Авария на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 г. показала, что и этот вариант модели не лишен недостатков, коль скоро предполагалось, что такая модель будет исследоваться в экологическом аспекте с применением стандартных методов, традиционно используемых в прикладной экологии. Экологическая устойчивость ПТС в старых моделях рассматривалась как нечто второстепенное. Приоритетным направлением считалась оценка степени загрязнения окружающей среды. А стандартные методы оценки воздействия ПТС на окружающую среду состоят в том, чтобы использовались подходы, опирающиеся на концепцию ПДК.
Однако ПДК не являются экологическими величинами, они - санитарно-гигиенические. И дело не только в этом. Так, в городах-мегаполисах сейчас наблюдается постоянное превышение ПДК по концентрации СО. Тем не менее, экологическая обстановка не считается неблагополучной. Действительно, индекс загрязнения атмосферного воздуха ИЗА, учитывающий класс опасности загрязнителя, в целом не превышает допустимых значений. Но это говорит лишь о его слабой чувствительности к концентрации отдельного поллютанта.
ПДК отражают лишь один узкий аспект оценки экологической обстановки, а именно химическую составляющую в классе «состав», что составляет малую толику (около 3%) от всей необходимой информации об экологическом состоянии объекта. ПДК имеют крайне «узкую специализацию». Если говорить об оценке экологической устойчивости и экологической уязвимости урбанизированных территорий, то роль ПДК тут мала. Они практически не пригодны для оценки параметров характеристик процессов, свойств, эффектов. Кроме того, ПДК слабо обоснованы с научной точки зрения. Это всего лишь часть недостатков ПДК. Поэтому концепция ПДК подвергается обоснованной критике [11].
В этой связи для оценки качества окружающей среды и ПТС в экологическом аспекте предложена идея использовать для этой цели специально разработанные индикаторы и индексы, не нуждающиеся в привлечении понятия ПДК. Одновременно с этим сделана попытка применить аппарат индикаторов и индексов для разработки модернизированной (усовершенствованной и уточненной) модели ПТС.
Модернизированная модель ПТС представляет собой синтез двух моделей: модели геотехнической системы (хозяйственного или технического объекта -ГТС), вмонтированной (погруженной) в природную среду, и модели преобразованной человеком природной среды - окружающей среды (ОС).
Источниками возникновения ПТС являются крупные города, масштабные сооружения специального назначения: водохозяйственные и энергетические системы, электростанции, водохранилища, аэропорты, заводы, нефтяные платформы, системы каналов и шлюзов, береговые и промышленные зоны и пр. Именно в этих объектах сосредоточены все основные экологически опасные факторы, влияющие на состояние и качество ПТС, а также ее экологическую устойчивость.
Подсистемы ПТС - ГТС и ОС - являются открытыми системами, находящимися в состоянии постоянного взаимодействия между собой и внешней средой. Это взаимодействие способно привести к нарушению пространственной, временной или функциональной
структуры ПТС в целом или отдельных ее подсистем, ее перестроению и последующему переходу в состояние с новыми свойствами, то есть с потерей ее первоначальной экологической устойчивости.
В отличие от ПТС, в чистых природных системах нет антропогенного воздействия, тем не менее, эти системы всегда формируют экологически устойчивые пространственные, временные и функциональные структуры [4, 7, 14, 21].
Двухкомпонентная модель ПТС-ГТС (первый компонент) плюс ОС (второй компонент) [8-11, 13] представляется обоснованной, так как она может быть применена при решении теоретических и прикладных задач, в том числе связанных с наиболее интересными научными и практическими направлениями, имеющими место при осуществлении разнообразной человеческой деятельности (организационными, технологическими, управленческими и др.), которые так или иначе воздействуют на ОС. Обсудим кратко обе подсистемы.
Первая подсистема — ГТС
В любой геотехнической системе (рис. 1), ядром которой является технический объект, существуют два вида потоков: центростремительные и центробежные. Центростремительные потоки в системе представляют собой сырье и местные природные ресурсы, потребляемые предприятием (земля, вода из поверхностных источников, вода из подземных источников, воздух).
Центробежные потоки - это готовая продукция и отходы производства, поступающие в поверхностные и грунтовые воды, в почву и в атмосферу. Эти отходы мигрируют в природной среде за счет взаимных обменных потоков, аккумулируются в соответствующих компонентах природной среды и трансформируются при протекании химических реакций. Стрелки на рис. 1 - это входы и выходы вещества, энергии и информации в ГТС.
Компоненты природной среды на территории ГТС можно рассматривать как начало (центр источника загрязнений) области, где формируется пограничный слой, непрерывным образом переходящий в ПТС.
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ
ТЕХНИЧЕСКИМ ОБЪЕКТ
ГОТОВАЯ ПРОДУКЦИЯ
ГРУНТОВЫЕ ВОДЫ
Рис. 1. Геотехническая система: «промышленное предприятие - окружающая среда»
Как видно из схемы, технический объект комплексно влияет на все элементы окружающей среды даже в нормальном рабочем режиме [2]. Важно отметить, что на урбанизированной территории возможно сосредоточение многих ГТС, как это наиболее часто имеет место в крупных городах, прибрежных зонах и некоторых других случаях. Тогда мы по-прежнему будем говорить о ГТС, но не о «точечной», а о «протяженной» то есть о ГТС более высокого уровня сложности.
Вторая подсистема — ОС
Модель и ее структура для ОС должны быть скор-релированы с соответствующей организацией информации о ее состоянии и динамике посредством индикаторов и индексов (см. разделы 2 и 3). Эту же информацию в тех же форматах необходимо получить в дальнейшем и о ПТС в целом. Поэтому адекватной моделью ОС для этих целей может послужить каркас модели ОС, предложенный в работах [5, 8-11, 14, 23].
В этой модели содержатся три главных компонента: атмосферный воздух, вода, подстилающая поверхность, плюс два дополнительных - отходы и ресурсы.
Затем в нее вводятся предметно три составляющие, внутри которых будет иметь смысл дальнейшее рассмотрение проблемы экологического состояния, качества и устойчивости ПТС. Такими составляющими являются: 1) физическая, 2) химическая, 3) биотическая.
Далее внимание сосредоточивается на изучении следующих 4 направлений (аспектов), которые мы в дальнейшем будем называть классами. Эти классы следующие: 1) состав, 2) процессы, 3) свойства, 4) явления (эффекты).
Как отмечено выше, индикаторы и индексы существенно влияют на процесс разработки модели. С другой стороны, сама модель влияет на вид и тип индикаторов и индексов, которые должны быть отобраны в дальнейшем для количественной оценки состояния и качества ПТС, а также ее экологической устойчивости. Поэтому такие индикаторы и индексы удобнее всего формировать внутри каждого главного компонента сначала по составляющим, а затем по классам.
Сводя все вместе, получаем модель ОС, представленную на рис. 2.
Рис. 2. Организация объектно-информационной модели окружающей среды
Следующий шаг в моделировании ОС состоит в установлении соотношений и взаимосвязей между различными макроскопическими величинами, относящимися как к системе в целом, так и к ее подсистемам, иначе говоря - в выборе и обосновании требуемых индикаторов и индексов.
Завершив моделирование двух подсистем, можно представить модель более высокого уровня сложности - модель ПТС.
Природно-техническая система
ПТС - это область урбанизированной территории, в которой проявляется антропогенное физическое, химическое и биотическое воздействие - загрязнение -на все компоненты ОС от источников загрязнения до той области ОС, где этим воздействием можно пренебречь. ПТС - это переходная область между местами локализации источников опасности и той границей ОС, где это воздействие несущественно. Таким образом, ПТС - это часть объема природной среды, в которой ГТС и ОС перекрываются, но в определенных самой моделью пространственно-временных границах.
Можно сказать и иначе. ПТС - это структурно-сложная природно-антропогенная система, решающим образом преобразованная или искусственно созданная человеком, характеризующаяся специфическим обменом веществ, потоков энергии и информации и вновь образованными прямыми и обратными связями. В состав ПТС входят и те прилегающие территории и объекты, которые обслуживают население путем производства энергии, промышленной и сельскохозяйственной продукции, водоснабжения, газоснабжения, складирования промышленных и бытовых отходов и т. д.
ПТС можно классифицировать на основе выбранных заранее признаков и распределить по группам (типам). Примеры разновидностей ПТС приведены в работах [15-19, 25].
ПТС коренным образом отличается от природных систем (экосистем) [5, 11, 14]. Главные отличия состоят в следующем:
1) пониженная способность к саморегуляции (самоорганизации), самовоспроизводству и самоочищению;
2) разрушение в пределах ПТС биотической составляющей ОС как главного фактора саморегуляции (самоподдержания) и самоочищения природных систем;
3) нарушение или разбалансировка информационных связей между множеством природных элементов (подсистем) ОС и искажение информации, являющейся причиной протекания процессов;
4) необходимость постоянного подвода избыточной, сверх естественного баланса, энергии для поддержания существования и функционирования ПТС;
5) первичная продукция ПТС составляет малую долю от продукции, потребляемой населением и предприятиями на данной урбанизированной территории;
6) микробиологическая деструкция различного рода органических отходов в ПТС большей частью сосредоточена на специальных полигонах и часто заменяется искусственным уничтожением и не используется для воспроизводства биотических компонентов.
Следующей особенностью конкретной ПТС является давление на нее антропогенного воздействия, обусловленного ГТС (или иными антропогенными
источниками загрязнения), способного повлиять на ее пространственную, временную или функциональную структуру. Это давление может отличаться по интенсивности для различных (конкретных) ПТС. Причем, даже будучи слабым, оно способно существенно изменить состояние и качество ПТС, а значит, и ОС, что отразится на их экологической устойчивости. Иначе говоря, в таких системах имеет место существенная нелинейность [20, 22].
Для практического использования модели ПТС ее удобно рассматривать как переходную область от ядра ГТС до естественной ОС и, в первом приближении, геометрически можно представить себе как сильно сплюснутую у основания (то есть на поверхности земли) сферу, в центре которой локализована ГТС, и воздействие на ОС на всех уровнях максимально, а на расстоянии, равном радиусу этой сферы, воздействие ГТС на ОС пренебрежимо мало. При этом, как отмечено выше, интенсивность загрязнения ОС внутри этой сферы совсем необязательно должна меняться линейно в зависимости от расстояния от центра загрязнения.
Тут сделаем оговорку. Конечно, сама ГТС погружена в ОС. Однако качество этой ОС на территории самой ГТС - это забота руководства предприятия. За пределами ГТС за качество ОС руководители предприятия, как правило, не отвечают и, естественно, за этим не следят. Наша модель не отделяет забором территории ГТС от всего остального пространства и учитывает, что все компоненты ОС должны оцениваться от центра сферы к ее границам непрерывным образом.
Схематически в упрощенном варианте пример ПТС, в которой ГТС является энергетическим объектом, приведен на рис. 3 и 4 [16-19, 24, 25].
На рис. 3 обозначены блок «Мониторинг» и блок «Управление ПТС». Эти блоки (подсистемы), входящие в состав модели ПТС, очень важны. Блок (подсистема) «Мониторинг» сформирован таким образом, чтобы система принятия решений была обеспечена данными, преобразованными в индикаторы и индексы, то есть информацией, понятной лицу, принимающему решение (ЛПР). Иначе говоря, техногенную нагрузку на ОС и экологическое состояние и качество самой ОС или ее отдельного главного компонента, а также экологическую устойчивость самой ПТС можно описывать на основе единой терминологии.
Ответная реакция систем принятия решений может быть организована двумя способами: первый из них - силовой, второй - параметрический. Но и в том и в другом случае все технические, технологические и административные мероприятия, с помощью которых нейтрализуется или минимизируется негативное антропогенное воздействие, влияющее на экологическое состояние и экологическую устойчивость ПТС, планируются и применяются на основе информации, сформированной также конкретными численными значениями индикаторов и индексов.
2. концепции индикаторов и индексов, предложенные в программных документах и рекомендациях
Широко применяемые в настоящее время в различных областях человеческой деятельности, в том числе в науке, понятия индикатора и индекса существуют достаточно давно [21-35]. Однако как термин применительно к проблемам взаимодействия чело-
Рис. 3. Пример модели ПТС с естественными и искусственно возобновляемыми энергетическими, материальными и информационным ресурсами
Рис. 4. Деталировка блока «мониторинг» (подсистема ПТС), информационное обеспечение которого целесообразно организовать с помощью индикаторов и индексов
века и природной среды слово индикатор появилось только лишь на рубеже 60-70-х гг. XX в. [21].
На протяжении последних 30 лет термин индикатор (как специальная величина или информационный показатель) все чаще используется в исследованиях проблем рационального природопользования, охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности, особенно в Европе и США. Практически одновременно с этим в экологических исследованиях появился термин индекс.
В связи с сравнительно недавним проникновением этих терминов в прикладную экологию представляется уместным обсудить смысловое содержание и определение этих понятий в контексте оценки степени влияния хозяйственной деятельности на состояние и динамику экосистем и экологическое состояние самих урбанизированных территорий, в том числе и их экологическую устойчивость.
Определение, а зачастую и толкование термина сильно усложняется особенно тогда, когда происходит его переход из одной области знания, где он был впервые введен, в другие. Именно это наблюдается с индикаторами и индексами, при переносе которых в
прикладную экологию появился элемент неопределенности [8-11, 14].
Мощный толчок в нужном направлении определения, правил отбора и обоснования индикаторов дала известная Конференция по перспективам развития человеческой цивилизации, состоявшаяся в 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Рио-92) (см. [26, 27, 30-35]). Сразу после Рио-92 были созданы Комиссии и Комитеты при ООН, в обязанности которых включена, среди прочего, разработка нового инструмента исследования модели взаимодействия человека и окружающей среды. Предложенная этими Комиссиями и Комитетами модель носит самый общий характер. Но это понятно, так как Конференция обозначила только ее главные элементы, а доработку и конкретизацию модели оставила заинтересованным сторонам.
Именно поэтому создание работоспособных моделей и поиски инструментов исследования и конкретных величин, необходимых для их описания, ведутся во многих странах мира. Весьма заметным в этой работе, особенно в последнее десятилетие, стало направление, получившее название «Методология индикаторов и индексов» [31, 35].
К настоящему времени эта методология как ин-
струмент исследования структурно-сложных систем получила за рубежом широкое распространение. В РФ также растет число научных публикаций экологической направленности, содержащих слово индикатор. В США издается специальный журнал «Экологические индикаторы» (Ecological Indicators). Разрабатывается и уже применяется на практике направление, в котором в аппарат индикаторов и индексов введен такой важный показатель, как риск. Этот индикаторно-рискологический подход получает все большее распространение и уже продемонстрировал свою жизнеспособность [11-14, 23].
Наибольшие успехи методология индикаторов и индексов демонстрирует в экономике, социологии, военном деле, в политике. Однако в экологии достижения пока весьма скромны.
К настоящему времени уже стало ясным, что удачно подобранные, научно обоснованные индикаторы и индексы состояния и динамики ПТС позволяют сформулировать базовые элементы информационного обеспечения и создать унифицированный методический аппарат, позволяющий обработать и получить компактную, генерализованную информацию о состоянии, качестве и динамике исследуемой системы и компонентов ОС, доведенную до числовых значений и удобную для графической и картографической визуализации и последующей передачи в систему поддержки принятия решений для целей планирования и управления.
А. Определение и свойства индикаторов и индексов: «западный» подход
Под «западным» подходом здесь понимается синтез точек зрения трех основных центров, занимающихся проблемой индикаторов: Американский центр (ООН и Всемирный банк, Нью-Йорк), Европейский центр (базируется в Праге), Африканский центр (базируется в Найроби). Следует отметить, что с начала XXI в. проблемой индикаторов серьезно занимаются ученые ряда крупных государств Азии - Индия, Китай, Япония, Индонезия и другие. Единого координирующего центра у этих государств пока нет
Конференция в Рио-де-Жанейро 1992 г. наряду с принятием ее основного документа «Повестки дня на XXI век» разработала усилиями указанных трех указанных центров ряд положений общего плана, где под индикатором рекомендуется понимать элемент информации, который [3, 8-10, 32]:
а) является характеристикой, используемой в интересах оценки, планирования и управления;
б) играет роль, выходящую за пределы его непосредственного значения.
Эти два положения могут рассматриваться как свойства, которыми индикаторы и индексы должны обладать, и их, конечно, необходимо принять во внимание. Однако эти два положения не дают определение термина индикатор. Подтверждением этому является тот факт, что к 2000 г. имелось не менее 10 определений экологического индикатора [31].
Добавим, что выбор показателей (величин), представляемых затем в качестве индикаторов согласно [31, 32], должен отвечать дополнительно еще двум требованиям: индикатор должен а) иметь более широкое значение, чем его непосредственный смысл, а также и б) описывать отклонения от уровня, принимаемого за базовый только при фиксации явлений.
Формулирование подобных положений чрезвычайно полезно, однако до настоящего времени продолжает оставаться открытым принципиально важный вопрос об определении понятий индикатора и индекса, которые стали бы общепринятыми. Проработка требуемых критериев, на основе которых введенные показатели (величины) объявляются индикаторами или индексами, далека от своего завершения, а введенные многими авторами показатели (величины), интерпретируемые ими как индикаторы и индексы, не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, о которых будет сказано отдельно ниже. Разброс мнений по части вводимых терминов и их определений весьма велик, что затрудняет понимание между специалистами и тормозит продвижение вперед. Сказанное проиллюстрировано в таблице 1.
Табл. 1
Интерпретации термина индикатор
Интерпретация Автор, год*
Variable (Переменная) Holling, 1978; Chevaliar et al., 1992
Subindex or component of an index (Субиндекс или компонент индекса) Ott, 1978; Adriaanse, 1993; Hammond, 1995
A meter or measuring instrument (Измеритель или измерительный инструмент) Adriaanse, 1993
Fraction (Фракция, часть чего-либо, часть информации) Adriaanse, 1993
Parameter (Параметр) OFCD, 1993; Bakkes et al., 1994
Measure (Мера, измеряемая величина) McQueen and Neak, 1988; World Bank, 1995
Statistical measure (Статистически измеряемая величина) Tunstall, 1994
Proxy for a measure value (Форма представления измеряемой величины для ее оценки) McQueen and Noak, 1998; Bakkes et al., 1994
Index (Индекс) Hammond et al., 1995
Piece of information (Доля информации) Bakkes et al., 1994
* Ссылки по каждому определению индикатора приведены в книге [31].
К сожалению, практически все авторы, упомянутые в таблице 1, либо не затрагивают вопрос о шкалах и размерности индикаторов и индексов, либо только отмечают конкретные размерности в тех случаях, которые рассматриваются. По-видимому,
это связано с тем, что размерность индикатора или индекса определяется тем показателем, который выбран в качестве такового [8-11].
Такая позиция не может быть признана удовлетворительной, так как на таком пути крайне затруднительно или невозможно проводить сопоставления и обмениваться протоколами данных на всех уровнях вплоть до локального. Не предложена на сегодняшний день согласованная система единиц измерения экологических индикаторов и индексов и соответствующие шкалы. Выбор шкалы имеет принципиальное значение. Более того, именно посредством шкал и через шкалы можно во многих практически значимых случаях проводить интегрирование и комплек-сирование индикаторов и индексов разной природы и разной размерности, например, байесовскими методами [9], и преобразовывать полученную информацию в показатели и форматы, приемлемые для систем принятия решений.
Видя такую ситуацию, но понимая актуальность темы, Всемирный банк, Комиссия по устойчивому развитию и Комиссия по глобальной экологии ООН еще во второй половине 1990-х гг., а затем и в начале XXI в. сформулировали в этой области знаний некоторые общие положения, которые и сейчас широко применяются специалистами многих стран мира.
При этом все дискуссии по данной проблеме были перенесены на так называемые «Методологические страницы», которые периодически публикуются Комиссией по устойчивому развитию и Комитетом по глобальной экологии при ООН.
Среди сформулированных рекомендаций есть базовые положения, есть модели, есть термины и их определения. Отметим в краткой форме наиболее важные из них [5, 8-11, 14, 33-35].
В выделенной категории ЭКОЛОГИЯ под индикатором рекомендуется понимать эквивалент индуцируемого явления в модели:
НАГРУЗКА - СОСТОЯНИЕ - ОТКЛИК.
При этом индекс - это уровень (цель), к которому(ой) надо стремиться.
Явления-индикаторы разделяются на три подгруппы: а) индикаторы антропогенного воздействия; б) индикаторы состояния; в) индикаторы ответной реакции общества.
В центр внимания предлагалось поместить индикаторы и индексы по главным компонентам природной среды: 1) воздух, 2) вода, 3) земля - и по важнейшей для человека составляющей - природные ресурсы, -принимая во внимание требования так называемой вертикальной шкалы с ее уровнями - глобальным, региональным, национальным и локальным.
Разумеется, необходимо иметь в виду и области (предметы) исследования, то есть горизонтальную шкалу, придерживаясь приоритетных направлений применения индикаторов. Таких направлений обычно указывают четырнадцать [11], среди которых, к примеру:
- индикаторы глобального масштаба (изменение климата, стратосферный озон, морские ресурсы);
- индикаторы национальных интересов (биоразнообразие, вода);
- индикаторы объектов рынка (газ, нефть и уголь, металлы и минералы, лесные ресурсы, пахотные земли - качество почвы);
- индикаторы несущей способности (эвтрофика-ция, закисление, токсические вещества, отходы);
- индикаторы общего характера.
Также были сформулированы общие критерии отбора индикаторов для их дальнейшего использования в системах принятия решений:
- значимость этих показателей для той страны, в которой они используются;
- соответствие с национальными целями и задачами;
- пригодность для использования в формируемых базах данных;
- сопряжение с системами принятия решений.
В силу всего этого к началу XXI в. сложилась практика отбора и формирования индикаторов и индексов в соответствии с целями их введения по областям или направлениям человеческой деятельности и, чаще всего, по конкретным задачам. Такие индикаторы и индексы иногда называют секторными [3].
В определенном смысле такой путь достаточно рационален. С другой стороны, очевидно, что секторный подход, будучи информативно ограниченным, является во многом односторонним. Больше того, такой подход в отдельных случаях дискредитирует понятие индикатор [8].
Рассмотренные, очень кратко, рекомендации международных организаций и разработанный ими междисциплинарный подход означает, что в рамках модели «НАГРУЗКА - СОСТОЯНИЕ - ОТКЛИК» мы должны строить и обосновывать в качестве индикаторов и индексов только макроскопические величины.
Отбору и обоснованию индикаторов отчасти помогает следующая схема (рис. 5), разработанная усилиями специалистов Европейского Центра (Прага).
Эта схема носит общий характер и, как видно, содержит все три категории: ЭКОНОМИКУ, СОЦИУМ и ЭКОЛОГИЮ. В этом ее недостаток, так как в условиях России такой подход по целому ряду причин малопродуктивен.
Из схемы следуют практические рекомендации отбора направлений, по которым следует искать и обосновывать экологические индикаторы. Особо следует отметить необходимость поиска индикаторов, с помощью которых возможно оценить естественное экологическое состояние экосистем, так как без знания такого состояния невозможно проводить необходимые сопоставления.
В этой схеме роль индикаторов весьма заужена, так как индикатор, напоминаем, трактуется преимущественно как эквивалент индуцируемого явления, то есть, например, факт превышения ПДК какого-либо загрязняющего вещества в атмосфере интерпретируется как индикатор. А индекс - это цель, к которой необходимо стремиться в процессе нейтрализации негативного явления. Под ответными индикаторами понимается реакция общественности на проведенные мероприятия, для чего в этой схеме предусмотрена постоянная связь с населением. Динамика события здесь отслеживается путем приведения данных за несколько лет (ряды наблюдений), после чего строятся диаграммы обычного типа, то есть в виде гистограмм или прямоугольников. Подобные диаграммы в больших количествах приводятся как в
Подсистема « Человек»
Подсистема «Окружающая среда»
Искусственные обратные связи
Рис. 5. Рекомендуемая Европейским центром (Прага) схема выборки и построения экологических индикаторов
российских, так и в зарубежных отчетах по состоянию окружающей природной среды.
Добавим также, что в рамках предложенного подхода индикатор, если исходить из его определения и назначения, должен также предупредить нас о появлении того или иного опасного феномена до того, как это скажется на здоровье человека или на качестве ОС. То есть индикатор в таком контексте должен выполнить роль «предвестника, предсказателя» - сигнала, сообщающего нам заблаговременно о том, что параметры «траектории устойчивого развития» могут выйти за пределы разрешенного коридора их изменений. Но, как показывает практика, с такой ролью индикаторы пока не справляются.
Б. Новая интерпретация концепции индикаторов и индексов
Представленная выше методология индикаторов и индексов («западный» подход) была пересмотрена нами и адаптирована к условиям России путем модернизации, существенного дополнения, а также уточнения определения и смысла вводимых величин [5, 8-11, 14, 23]. Подверглась также существенной доработке и уточнению сама модель НАГРУЗКА - СОСТОЯНИЕ - ОТКЛИК, что и привело к созданию модели ОС, а затем и модернизированной модели ПТС.
Прежде всего мы считаем необходимым сузить поле отбираемых показателей в качестве индикаторов и индексов путем введения обязательных требований, которым они должны удовлетворять, и формулирования более точных определений. Величины, отбираемые в качестве индикаторов или индексов, должны:
1) быть научно обоснованными;
2) обладать требуемой чувствительностью;
3) обладать способностью к агрегированию (свертке);
4) допускать простую и ясную интерпретацию, понятную системам принятия решений.
Научная обоснованность, казалось бы, очевидная вещь. Тем не менее, как это отмечалось выше, имеется немало примеров поспешного объявления того или иного показателя экологическим индикатором без должного научного обоснования.
Чувствительность. Если говорить об экологических индикаторах только как о наблюдаемых (измеряемых) величинах (такие индикаторы называются физическими индикаторами), то чувствительность определяется чувствительностью той аппаратуры, с помощью которой они измеряются, а также требованиями к данным наблюдения. Причем, по мере перехода к более сложным индикаторам, составленным из простых, чувствительность понижается, так как ошибки измерений всегда имеют тенденцию к суммированию.
Если же речь идет о не физических величинах, используемых в качестве индикаторов, то вопрос чувствительности может потерять смысл. Действительно, говорить о чувствительности такой величины, как риск, которая может выполнять роль интегрального или комплексного индикатора, вряд ли имеет смысл. В общем случае можно сказать, что чувствительность вводимого индикатора должна быть достаточной для обнаружения того явления, которое он призван контролировать в заданном промежутке времени.
Способность к агрегированию. Этот критерий весьма труден для проверки, так как способность к агрегированию далеко не всегда очевидна. Критерий требует серьезной проработки, конечная цель которой должна состоять в разработке некой универсальной схемы действий, с помощью которой можно получить ответ на искомый вопрос. Представляется,
что последние достижения в теории обработки и агрегирования информации, в том числе информации разной по своей природе, позволяют надеяться на определенный успех в этом направлении [8-10].
Простота интерпретации. Четвертый критерий чрезвычайно важен для системы принятия решений. В этой связи актуальным становится вопрос о размерности индикаторов и применяемых шкалах для их измерения, а также способах (форматах) представления информации.
Таким образом, при анализе той или иной макроскопической величины (показателя) на предмет отнесения ее (его) к экологическому индикатору следует придерживаться сформулированных «правил отбора», последовательно, шаг за шагом, проверяя соответствие вводимого показателя всем вышеприведенным рекомендациям и критериям.
Необходимо также, чтобы индикаторы и индексы выполняли функции показателей (величин), заключающиеся в следующем:
- количественная или качественная оценка состояния и динамики рассматриваемой системы в целом или ее отдельных компонентов;
- указание численного значения параметров характеристик исследуемых процессов и явлений, протекающих в системах;
- указание численных значений показателей (параметров), описывающих свойства исследуемых систем;
- указание численного значения какой-либо величины или совокупности величин, характеризующих взаимосвязи между системами и ОС.
В итоге в категории ЭКОЛОГИЯ индикатор можно определить следующим образом.
1. Индикатор - это выходной информационный сигнал, элемент информации, указатель, определитель.
2. Индикатор - это символ, то есть письменный знак плюс ассоциированное с ним понятие. Это значит, что индикатор характеризуется как формой представления информации, так и ее смысловым содержанием.
Как символ, индикатор подразумевает, что индикаторы могут и должны отображать ход процесса или состояние объекта. Как форма индикатор может выступать в роли качественной или количественной меры оценки величин, выбранных для описания системы по направлениям (классам): структура, свойства, процессы и явления (эффекты). Как содержание, индикатор может быть представлен в виде письменного знака (графического изображения), имеющего простую интерпретацию и психологически удобного для восприятия человеком.
3. Индикатор - это эквивалент индуцируемого явления.
Индикатор, конечно, всегда выступает как элемент информации. Однако индикатор вряд ли можно считать элементарной информацией (информационным квантом), хотя довольно часто под индикатором понимают эквивалент некоторого индуцируемого явления только в смысле первичного сигнала, то есть сигнала типа «да/нет». Дело в том, что при толковании индикатора как эквивалента индуцируемого явления мы всегда на самом деле имеем большую по объему информацию, чем информацию объемом «есть сигнал» или «нет сигнала».
Все сказанное суммировано на рис. 6.
Затруднение может вызвать символьная интерпретация индикатора как параметра, описывающего качество. Действительно, качество далеко не всегда можно описать количественно, на что указывает наука под названием «квалиметрия». Например, орга-нолептические (вкусовые) свойства воды (и не только воды), являющиеся основным показателем ее качества, описать количественно формализованным образом, то есть на языке математических выражений, не представляется возможным [11]. Возможны экспертные оценки, но они могут быть субъективными и порой даже навязанными теми инстанциями, которые подбирают и финансируют экспертов.
Заметим, что введенное определение индикатора включает все 10 позиций, представленных в таблице 1, и на этом основании может рассматриваться как самое общее.
Рис. 6. Семантическое содержание понятия индикатор
Предложенное определение индикатора подразумевает также следующее.
1. Индикатор может быть как физической (измеряемой) величиной, так и не физической величиной. Примером не физической величины является риск, который должен рассматриваться как коннотация, то есть мыслеобраз, и он способен исполнять функции как интегрального, так и комплексного индикатора.
2. Индикатор может иметь размерность, но может быть и безразмерной величиной.
3. Индикатор может быть представлен как простой скалярной величиной, так и в виде матрицы (таблицы). Из соображений простоты и ясности интерпретации матричное представление индикатора для систем принятия решений может быть неприемлемым.
4. Индикаторы - это величины, в общем случае зависящие от времени, и могут рассматриваться как функции, аргументами которых могут быть не только время, но и координаты, а также другие переменные, выбор которых диктуется спецификой задачи.
3. Индикаторы и индексы в применении к описанию модели ПТС
Применение индикаторов и индексов к разработке модифицированной модели ПТС заметно расширило ее возможности в приложении к решению практических задач, так как предложенная модель достаточно универсальна. Универсальность заключается в том, что для любой урбанизированной территории имеющаяся и обработанная стандартными методами общая информация, полученная инструментальными методами, структурируется внутри каждого главного компонента по составляющим и по классам. Универсальность подтверждается также и тем, что, несмотря на то, что следующие предпринимаемые шаги в значительной степени зависят от характера конкретной задачи, в общем плане они все лежат в русле рекомендованной методологии.
Для структурно-сложной системы, каковой является урбанизированная территория, мы не можем отобрать необходимое для ее полного описания оптимальное число индикаторов и тем более выделить из них наиболее значимые. Иначе говоря, проблема нахождения минимальной программы и минимального объема начальных данных, отбора и обоснования требуемых индикаторов не имеет универсального решения. Однако столь пессимистический вывод не должен останавливать исследователей, так как на практике довольно часто для систем принятия решений важны не столько абсолютное значение индикаторов и индексов, сколько генерализованная информация, сформированная на их основе, дающая возможность отследить динамику явления, то есть тренды, достаточные для принятия необходимых решений.
Набор индикаторов, обусловленный структурой модели ПТС, является необходимым, но недостаточным. Для решения проблемы оценки и управления ПТС требуется ввести дополнительные индикаторы. Среди них желательно иметь следующие.
Входные индикаторы, с которыми связаны параметры, воздействующие на вход системы и ограничения, наложенные на них в процессе моделирования.
Выходные индикаторы (сигналы), отражающие реальные характеристики исследуемых процессов и явлений, происходящих в ГТС и ОС в результате их штатного функционирования.
Индексы - величины, определяющие меру отклонения от уровня, принимаемого за базовый.
В предложенном толковании индекса подразумевается тот факт, что индекс даже в простейшем случае не может быть сконструирован из одной отдельно взятой величины, так как всякое отклонение - это разность, которая может быть образована как минимум из двух величин. Значит, индекс - это величина, которую надо строить из индикаторов. Иначе говоря, индикаторы являются теми «элементарными» кирпичиками, из которых формируются индексы и, в частности, экологические индексы. Хорошим примером сказанному является известный экономический индекс Доу-Джонса, построенный на основе более чем полутора тысяч показателей (индикаторов) экономической активности ведущих фирм мира.
Индексы качества - величины, фиксирующие (оценивающие) качество отдельных компонентов и ПТС в целом в интересующем нас интервале времени. Качество сложной системы или отдельной ее подсистемы может быть оценено на основе сопоставления признаков качества контролируемой системы с системой, выступающей в роли эталона, и выявления отклонений при проводимом сопоставлении. Иначе говоря, качество исследуемого объекта может быть оценено с помощью индексов. Качество, например, технических систем (ГТС) оценивают на основе указания 11 признаков, установленных соответствующими ГОСТами и другими нормативными документами.
Индексы качества позволяют перейти к количественной оценке уровня экологической безопасности ПТС, путем их сопоставления с аналогичными показателями, измеренными на не урбанизированных территориях (например, особо охраняемыми территориями). Алгоритм такой процедуры описан в работах [11, 12, 23]. В этой процедуре привлечение ПДК не обязательно.
Технологические индикаторы - индикаторы, характеризующие отдельные операции или всю технологию производств(а) в целом в ПТС.
Структурные индикаторы - индикаторы, отражающие деструктуризацию сложной системы, иначе степень ее деградации.
Функциональные индикаторы. К ним можно отнести величины (показатели), изменяющиеся случайным образом с течением времени, нарушающие функциональную связь между входными и выходными индикаторами.
Управляющие индикаторы - это такие, с помощью которых можно оказывать прямое силовое или параметрическое воздействие на исследуемый процесс как в подсистемах, так и в системе в целом.
Целесообразность ввода дополнительных индикаторов и индексов в значительной степени зависит от целей, которые мы преследуем в решении конкретной задачи, а также требований самой системы управления.
Следующий шаг в расширении и уточнении «западного» подхода состоит в том, что нами предложена процедура типизации, своего рода иерархия индикаторов и индексов. В этой связи разработана терминология и предложена схема свертки и ранжирования самих индикаторов для их последующей передачи в системы принятия решений. Подобная схема в «западном» подходе, предложенном между-
народными организациями, отсутствует. Ниже описаны иерархия типов индикаторов и индексов, а также их определения [5-7, 9, 17].
Простым индикатором в общем случае назовем первичный сигнал или конкретную величину, в сопоставлении с той величиной, которая взята в качестве контрольной (эталонной). Например, в химической составляющей в классе состав - это отношение измеренной концентрации к ПДК. В классе процессы — это отношения параметров различных типов рассеяния загрязнений в атмосфере, скоростей, ин-тенсивностей процессов и т. д. В классе явления простыми индикаторами могут быть инверсия температуры и ее изменение вдоль оси стратификации в атмосферном воздухе и т. д.
Агрегированным (обобщенным) индикатором назовем сформированную по согласованным правилам сумму простых индикаторов одного типа (природы). Например, для атмосферного воздуха это известный «интегральный показатель (индекс) загрязнения атмосферного воздуха», ИЗА.
Отметим, что можно указать, по крайней мере, 24 способа агрегирования информации, в том числе способ, применяемый достаточно широко в квалиме-трии [23]. Выбор способа агрегирования обусловлен потребностями практического применения.
Агрегированный индикатор в общем случае — это, в аддитивной модели, сумма (иногда с весовыми множителями, но не обязательно) или, в мультипликативной модели, произведение (приоритетных показателей для конкретного исследуемого объекта в каждом из классов в одной отдельно взятой составляющей).
интегральным индикатором назовем сформированную по согласованным правилам сумму всех возможных индикаторов во всех классах, но в одной составляющей. Примером такого индикатора может служить однородная матрица риска, то есть матрица риска, в которой все опасности фокусируются на одном предмете, скажем, здоровье человека [12].
Отвлечемся теперь от конкретной составляющей и тогда комплексным индикатором назовем сформированную по согласованным правилам сумму индикаторов, взятых из разных классов или разных составляющих или из разных классов и разных составляющих одновременно.
В последнем случае мы обязаны производить свертку и генерализацию информации из элементов, разных по своей природе и размерности. Это означает, что они должны быть предварительно нормированы и приведены к одной шкале измерений.
Такое ранжирование и классификация индикаторов более высокого уровня сложности позволяет скорректировать и согласовать вопросы терминологии и тем самым внести взаимопонимание среди исследователей, занимающихся проблемами применения индикаторов и индексов к сложным системам, и доступность для лиц, принимающих решение.
4. Процедура отбора и обоснования индикаторов и индексов и этапы их практического применения
Наглядное представление о месте индикаторов и индексов в информационном обеспечении представленной модели ПТС дает рис. 7.
Кроме того, сформулированные выше идеи позволяют обозначить и рекомендовать ряд положений, которым необходимо следовать при практическом применении методологии индикаторов и индексов. Эти положения следующие.
1. В информационной системе должны использоваться только репрезентативные данные, объективно отражающие состояние и динамику объектов наблюдения.
2. Оперативность сбора и обработки информации должна быть соизмерима с частотой возможных негативных воздействий (возмущений), достаточной для формирования ответной реакции в общей системе управления экологической устойчивостью и качеством окружающей среды.
3. Выбор индикаторов и индексов осуществляется для характеристики зависимости: «уровень воздействия — качество системы — экологическая устойчивость системы — отклик системы управления».
4. Индикаторы и/или индексы должны быть «жестко» связаны только с теми процессами, которые заметно влияют на качество и экологическую устойчивость системы.
5. Индикаторы и/или индексы должны давать отклик на воздействие различных факторов, приводящих к изменению параметров качества и устойчи-
Система управления
т
Индексы Индикаторы
Уровень интерпретации, анализа, агрегирования и комплексирования
Рис. 7. Информационная пирамида [23]
— Область обоснования
и формирования индикаторов
- Обработанные данные Исходные данные
вости системы, только в случаях, когда воздействие заметно превышает природный фон.
6. При интегральной оценке экологической устойчивости и экологического качества системы в целом на основе набора индикаторов «масштаб» каждого из них определяется в зависимости от степени влияния процесса, который характеризует конкретный индикатор или индекс; иначе говоря, мы должны оставаться на уровне сложности, изначально выбранном для описания системы.
7. Затраты на поддержание информационной системы, формирующую базу данных и базу знаний должны быть сопоставимы с экономическим эффектом от принятых на ее основе управленческих решений.
8. Информация, основанная на индикаторах и индексах, должна быть адаптирована для органов управления, ответственных за проведение экологической политики по поддержанию приемлемого уровня качества и экологической безопасности окружающей среды.
Наконец, имеет смысл выделить в указанной процедуре два основных этапа по проведению предварительной (подготовительной) работы в указанном направлении.
На первом этапе выбора и обоснования индикаторов и индексов оценки состояния и экологической устойчивости конкретной ПТС в зависимости от поставленной цели необходимо описать объекты, виды хозяйственной деятельности, процессы, явления или факторы, определяющие антропогенную нагрузку на окружающую среду, устойчивость и уязвимость как ГТС, так и ОС, а также попытаться спрогнозировать возможные последствия в изменении состояния ПТС, прежде всего, ориентируясь на «уязвимые» элементы в обеих подсистемах и в системе в целом.
На втором этапе на основе вышеизложенных положений надо выбрать, прежде всего, группы параметров, характеризующие в конкретном виде особенности хозяйственной деятельности для ПТС, а затем феномены, свойства, процессы, явления, протекающие в каждой из трех основных сред ОС, вследствие штатного функционирования хозяйственного(ых) объекта(ов).
5. Обсуждение концепции индикаторов и индексов
Переработанная и адаптированная к условиям России методология индикаторов и индексов обладает рядом преимуществ по сравнению с тем, что предложено вышеупомянутыми тремя Центрами, занимающимися проблемами индикаторов и иными существующими на данный момент методами оценки экологической обстановки на урбанизированной территории и ее экологической устойчивости.
Основное преимущество состоит в следующем: аппарат индикаторов и индексов открывает возможность описания значительно более широкого круга явлений и процессов, происходящих в ПТС и формирующих экологическую обстановку, что заметно понижает уровень неопределенности. Методология индикаторов и индексов открывает принципиальную возможность для существенного увеличения объема исходной информации, необходимой для более точной оценки качества урбанизированной территории в экологическом аспекте и ее экологической устойчи-
вости. Индикаторы и индексы позволяют проводить сжатие и преобразование информации с сохранением ее смысла, что чрезвычайно важно как для практических приложений, так и для систем поддержки принятия решений.
Но это не все. Есть и другие преимущества, и они касаются следующих четырех аспектов.
Первый аспект - это вопрос размерности вводимых индикаторов и индексов. В предложенном способе разбиения индикаторов в корреляции с построенными моделями ОС и ПТС по главным компонентам, составляющим и классам размерность обеспечивается автоматически, что значительно упрощает переход к безразмерным показателям, а значит, облегчает процедуру свертки и генерализации информации и обогащает набор подходящих форматов ее представления для ее последующей передачи в системы принятия решений.
Это обстоятельство упрощает интерпретацию вводимых величин, делает информацию простой и понятной для лиц, принимающих решения. Более того, открывается возможность провести сопоставление на точность и полноту описания объекта (процесса, явления), полученных методами, применяемыми на практике в настоящее время, и методами, использующими представления об индикаторах и индексах, то есть обеспечивается необходимый в таких случаях конструктивизм.
Второй аспект - диапазон изменений количественных оценок вводимых индикаторов и индексов, то есть шкалы. Этот диапазон можно установить между нулем и единицей, или нулем и десятью (сотней), что очень удобно для лица, принимающего решения. Последнее важно, так как позволяет связать введенные индикаторы и индексы качества с распространенным вероятностным понятием риска и количественным уровнем экологической безопасности и проводить необходимые оценки и сопоставления в единой линейной шкале [11, 12].
Третий аспект — методология индикаторов и индексов позволяет отказаться от опоры на понятие ПДК. Это - важнейший момент, к сожалению, не замечаемый многими исследователями. Базой для отсчета теперь можно взять, например, эталон качества, сформированный из значений соответствующих величин, измеренных на не урбанизированной территории (например, фоновые значения интересующих нас величин).
Четвертый аспект — формируемые из индикаторов индексы, и, в частности, индексы качества, могут рассматриваться как признаки качества и представляют собой в нашей интерпретации количественную оценку качества, выраженную в шкале 0-1. Иначе говоря, индекс качества может быть равен и 0,8, и 0,3, и 1,0 и т. д, при этом в первом случае отсутствие качества равно 0,2, во втором - 0,7, в третьем - 0,0. Отсутствие качества компонентов ОС означает некую опасность (угрозу) для здоровья человека и для самой ОС и может рассматриваться в первом приближении как величина, пропорциональная риску. Таким образом, в предложенном подходе индикаторы и риск - взаимосвязанные величины. Именно это обстоятельство позволило разработать индикаторно-рискологический подход к оценке и управлению качеством урбанизированных территорий и предложить в рамках этого подхода ори-
гинальный метод количественной оценки рисков и уровня экологической безопасности на урбанизированной территории [11—14].
Заметим также, что индикаторы и индексы в принципе не могут не зависеть от времени, так как они призваны следить, в первую очередь, за происходящими как в человеческом обществе, так и в окружающей его природной среде процессами. Поэтому индикаторы и индексы должны быть «привязаны» к временной шкале, например, к шкале Тиллера [6, 7], рекомендованной ЮНЕП к применению при рассмотрении самых разнообразных процессов, протекающих в системах различного уровня.
заключение
В первоначальном варианте, до модификации, разработанная модель ПТС неоднократно успешно применялась на практике и показала свою жизнеспособность [12, 16—19, 24, 25]. Так, например, при пор-тостроительстве нефтяного терминала в г. Примор-ске (Ленинградская область) модель ПТС в старом варианте была учтена при прокладке первой нитки нефтепровода из г. Кириши в г. Приморск [18].
Такое положение дел сохранялось примерно до 2005—2007 гг., когда запросы практики относительно проводимых оценок экологического состояния урбанизированных территорий и их экологической устойчивости резко повысились в плане полноты описания ПТС. Необходимо также было расширить сферу применения этой модели. Произошедшая в 2009 г. авария на Саяно-Шушенской ГЭС подтолкнула этот процесс.
Модифицированная модель уже получила путевку в жизнь, так как ее обозначили в документах Правительственной комиссии по ликвидации последствий аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, заседавшей в начале 2013 г.
Модель ОС как подсистемы модифицированной ПТС и инструмент ее исследования — индикаторы и индексы — также прошли солидную проверку на практике [11, 14, 23]. Впервые как инструмент исследования аппарат индикаторов и индексов был применен к комплексной оценке и управлению экологическим качеством урбанизированных территорий Черноморского побережья Краснодарского края. Была проведена оценка экологической обстановки в ряде городов Краснодарского края — Новороссийске, Сочи, Геленджике, Анапе, Туапсе и др. и проведено сопоставление полученных результатов с результатами, полученными традиционными методами.
Это сопоставление показало, что оценки, проведенные на основе индикаторов и индексов, более полны и объективны и фиксируют ряд феноменов и эффектов, которые старые методы обнаружить не сумели. Одновременно с этим на базе индикаторов и индексов были рассчитаны риски, возникающие при осуществлении Федеральной целевой программы Сочи-2014. Полученные результаты были переданы в Администрацию Краснодарского края и были приняты во внимание при стратегическом планировании экологической политики в этом регионе [13].
В качестве особого момента заметим, что методический аппарат индикаторов и индексов для исследования структурно-сложных систем на Западе все чаще называют «внешними технологиями». По одному из определений, внешние технологии — это такие способы исследования структурно-сложных систем, где применяются специальные показатели (в том числе индикаторы, индексы и риск), делающие возможным получение новых знаний, которые напрямую без этих показателей извлечь из имеющейся базы данных не удается [6].
литература
1. Биненко В.И., Донченко В.К., Растоску-ев В.В. Риски и экологическая безопасность природно-хозяйственных систем. — СПб. : ВВМ, 2012. - 352 с.
2. Воробьев О.Г., Реут О.Ч. Геотехнические системы: генезис, структура, управление. — Петрозаводск : ПетрГУ, 1994. - 82 с.
3. Григорьев А.А., Кондратьев К.Я. Глобальные изменения: проблема индикаторов устойчивого развития // Изв. РГО. - 1996. - Т. 128, Вып. 4. - С. 26-37.
4. Горшков В.Г. Энергетика биосферы и устойчивость состояния окружающей среды // Итоги науки и техники. Сер. Теоретические и общие вопросы географии. - М. : ВИНИТИ, 1990. - 237 с.
5. Исидоров В.А., Музалевский А.А. Индексы и составляющие экологического риска в оценке качества городской экосистемы // Вестник СПбГУ. Сер. 4. - 1998. - Вып. 2. (№ 11). -С. 74-83.
6. Карлин Л.Н., Музалевский А.А. Индикаторы ESI и EVI в экологической оценке исследуе-
мых территорий // VI Международная научная конференция «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон». 2—4 июля 2012 г. — СПб., 2012. — С. 123—125.
7. Кондратьев К.Я., Крапивин В.Ф., Лака-са Х., Савиных В.П. Глобализация и устойчивое развитие. Экологические аспекты. Введение. — СПб. : Наука, 2005. — 242 с.
8. Музалевский А.А. Индикаторы и индексы экодинамики. Методологические аспекты проблемы экологических индикаторов и индексов устойчивого развития // Труды 3-й Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям. — СПб., 2000. — Т. 1. — С. 36—46.
9. Музалевский А.А. Экологические индикаторы и индексы и синергетика // Сборник докладов 6-й Международной конференции «Экология Северо-Запада России и безопасность», 24—29 июля 2003 г. — С. 23—31.
10. Музалевский А.А. Новые подходы к решению проблемы обеспечения экологической безопасности окружающей среды на основе
новой экологической парадигмы // Пути решения экологических проблем транспортных коридоров. - СПб., 2003. - С. 301-330.
11. Музалевский А.А. Экология. Учебное пособие. - СПб. : Изд-во РГГМУ, 2008. - 604 с.
12. Музалевский А.А. Индикаторы и индексы устойчивого развития береговой зоны // Основные концепции современного берегопользова-ния. Том 1 / Ред. Карлин Л.Н., Денисов В.В., Шилин М.Б. - СПб., 2009. - С. 170-213.
13. Музалевский А.А., Карлин Л.Н. Экологические риски: теория и практика. - СПб. : Изд-во РГГМУ, 2011. - 448 с.
14. Потапов А.И., Карлин Л.Н., Воробьев В.Н., Музалевский А.А. Мониторинг, контроль и управление качеством окружающей среды. Ч. 3. Оценка и управление качеством окружающей среды. - СПб. : Изд-во РГГМУ, 2005. - 289 с.
15. Федоров М.П., Масликов В.И. Принципы создания природно-технических систем в возобновляемой энергетике // Труды СПбГТУ. Строительство. - 2007. - № 502. - С. 306-316.
16. Федоров М.П., Масликов В.И. Природно-технические системы в энергетике // Известия РАН. Сер. Энергетика. - 2006. - № 5. - С. 7-16.
17. ФедоровМ.П., ШилинМ.Б., Горбунов Н.Е., Блинов Л.Н. Экологические основы управления природно-техническими системами. — СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2008. - 505 с.
18. Федоров М.П., Шилин М.Б. Прибрежные природно-технические системы: принципы формирования, устойчивость, экологическая безопасность // Основные концепции современного берегопользования. Том 2 / Ред. Карлин Л.Н., Денисов В.В., Шилин М.Б. - СПб., 2010. - С. 8-43.
19. Федоров М.П., Романов М.Ф., Руховец Л.А., Максимов Ю.Д. Математические методы и модели в экологии. Учебное пособие. — СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2008. - 302 с.
20. Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к сложным системам. - М. : Мир,1991. - 239 с.
21. Холлинг Х.С. Экологические системы. Адаптивная оценка и управление. - М. : Мир, 1988. - 397 с.
22. Чернавский Д.С. Синергетика и информация. Динамическая теория информации. — М. : Наука, 2001. - 244 с.
23. Яйли Е.А. Научные и прикладные аспекты оценки и управления урбанизированными территориями на основе инструмента риска и
новых показателей качества окружающей среды. - СПб. : Изд-во РГГМУ, 2006. - 444 с.
24. Экоинформатика. Теория. Практика. Методы и системы / Ред. В.Е. Соколов. - СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. - 522 с.
25. Экологические основы управления природно-техническими системами. Учебное пособие / Ред. Федоров М.П. - СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2007. - 504 с.
26. Hammond A., Adriaanse A., Rodemburg E., Bryant E., Woodward R. Environmental Indicators: A Systematic Approach to Measuring and Reporting on Environmental Policy Performance in the Context of Sustainable Development. - Washington, D. C. World Resources Institute, 1995.
27. Indicator of Sustainable Development. Framework and Methodologies. - N. Y. : United Nations, 1996. - 428 p.
28. Muzalevsky A.A. The urban ecosystem and the method of its description in terms of quality indices // Environmental Indices Systems Analysis Approach. - Oxford, UK : EOLSS Publishers Co. Ltd., 1999. - P. 466-475.
29. Muzalevsky A.A. A systems approach to the problem of environmental indicators and sustainable development indices. Terms, definitions, dimensions, units, structurization and classification // Abstract book "INDEX-99" - St.-Petersburg : INENCO, 1999 - P. 95-97.
30. Ott W.R. Environmental Indices: Theory and Practice. - Ann Arbor, Michigan : Ann Arbor Science, 1978. - 184 p.
31. SCOPE 58. Sustainability Indicators // Report of the Projection Indicators of Sustainable Development / Ed. by B. Moldan and S. Billharz. - N. Y. : John Wiley and Sons, 1997. - 415 p.
32. UNEP-DPCSD.The Role of Indicators in Decision-making. Discussion paper prepared for UNEP for the Indicators of Sustainable Development for Decision-Making Workshop, 9-11 January, Ghent, Belgium, 1995.
33. UN DPCSD. Menu of Indicators for Sustainable development. E/CN. 17/1995/18. - N. Y., 1995. - 42 p.
34. The relationship between indicators of sustainable development. An overview of selected studies. Background paper for the fifth expert group meeting on indicators of Sustainable Development, New York, 7-8 April 1999.
35. United Nations. Indicators of Sustainable Development: Framework and Methodologies. -N. Y., United Nations, 1996.
