CC BY
18
УДК 528.9,502.3
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО И МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ОБОСНОВАННОСТИ ВЫБОРА МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ОТХОДОВ
© 2018 В. Е. Гвоздев1, О. И. Христодуло2, Т. В. Сазонова3, Э. Б. Фахретдинова4
1докт. техн. наук, профессор кафедры технической кибернетики e-mail: [email protected] 2докт. техн. наук, профессор кафедры геоинформационных систем e-mail: o-hristoduloa,mail.ru 3канд. техн. наук, доцент e-mail: SazonowaTV@ kfosu.edu.ru 4магистр кафедры геоинформационных систем e-mail: _fbelvina1395@mail. ru
1,2,4 Уфимский государственный авиационный технический университет
3Кумертауский филиал Оренбургского государственного университета
Многоаспектность проблемы выбора местоположения предприятий по переработке отходов, включающая в себя обсуждение различных альтернативных вариантов по выбору места строительства с учетом интересов различных сторон (мнения населения, инвесторов, администрации муниципального образования), необходимость согласованной деятельности разнопрофильных специалистов, участвующих в процессах управления, делает необходимым развитие научно обоснованных подходов к решению этой проблемы. В статье описаны технологии геоинформационного и математического моделирования для оценки обоснованности выбора местоположения предприятий по переработке отходов.
Ключевые слова: геоинформационные технологии, классификация, районирование территории Республики Башкортостан, система управления отходами, мусороперерабатывающие предприятия, статистические индексы.
Сегодня переработка и утилизация отходов является одной из самых острых проблем экологии. Существующая в России практика обращения с отходами характеризуется возрастающим негативным воздействием на окружающую среду и здоровье человека, неэффективным использованием материальных и энергетических ресурсов [Система управления отходами...; Об отходах производства...; Об экологической ситуации. 2015; Бахонина, Савоськина 2014; О состоянии. 2014; Обращение с отходами. 2005].
На данный момент наблюдается значительный рост объема образования отходов производства и потребления, что связано прежде всего с высокими темпами социально-экономического развития. Так, ежегодный объем образования отходов в Республике Башкортостан постоянно растет. По данным Республиканской целевой программы в 2010 г. он составил 1,7 млн т. Несмотря на значительное количество существующих методов обращения с отходами, основная их часть все же уничтожается методом захоронения на многочисленных полигонах и свалках (более 97%).
Чтобы предотвратить мусорную катастрофу, требуется постройка мусороперерабатывающих предприятий, выбор местоположения которых является
одной из серьезных проблем при управлении отходами. На сегодняшний день эта проблема решалась, как правило, сверху, на основе формальных подходов, с учетом только интересов инвесторов, вкладывающих свои средства в строительство предприятий по переработке отходов. Мнение населения практически не учитывалось.
Для фундаментального решения проблемы необходим согласованный подход к решению проблем управления отходами всеми заинтересованными субъектами на уровне муниципальных образований.
Отмеченные обстоятельства делают обязательным развитие методологических, теоретических основ и инструментальной базы для многокритериального управления процессом выбора местоположения промышленных предприятий по переработке отходов на основе системного сочетания методов структурного, геоинформационного, математического моделирования.
В целях устранения существующих проблем в сфере обращения с отходами была разработана и утверждена Республиканская целевая программа «Совершенствование системы управления твердыми бытовыми отходами в Республике Башкортостан на 2011-2020 годы», представляющая собой концепцию реформирования сферы обращения с отходами в республике, одной из задач которого является строительство предприятий по переработке отходов по соответствующей схеме (рис. 1), предполагающей прием отходов из населенных пунктов, с территорий, расположенных на расстоянии не более 35 км от месторасположения полигона. Увеличение указанного расстояния в большинстве случаев нецелесообразно в связи со значительным ростом тарифа на услуги по вывозу отходов с мест их накопления. При вывозе отходов из населенных пунктов, находящихся на расстоянии более 35 км от полигона, необходимо строительство мусороперегрузочных станций (МПС). Расстояние при этом не должно превышать 55 км. Для этого требуется проектирование и строительство сети МПС в Республике Башкортостан. В целях селективного (избирательного) сбора отходов предполагается организация сети мусоросортировочных станций (далее МСС). На данный момент на территории Республики Башкортостан уже построено не сколько МСС и предполагается строительство еще 14-ти станций различной производительности в городах Уфе (3 МСС), Стерлитамаке, Салавате, Нефтекамске, Октябрьском, Белорецке, Ишимбае, Кумертау, Туймазы, Сибае, Мелеузе [Республиканская целевая программа... 2011].
Рис. 1. Существующая схема строительства предприятий по переработке отходов
в Республике Башкортостан
В связи с этим одной из ключевых задач на сегодняшний день является необходимость определения того, насколько правильно выбрано место под строительство мусороперерабатывающих. Так как в урегулирование проблемной ситуации, связанной с управлением отходами, вовлечены различные заинтересованные стороны, то имеются и различные мотивы и разные персональные онтологические модели проблемной ситуации, обусловленной возникновением, хранением и переработкой отходов. Это делает необходимым совершенствование методов выработки консолидированных решений, признаваемых всеми заинтересованными сторонами. Также необходимо заметить, что эффективное управление состоянием нынешней системы управления отходами требует разноаспектной информационной поддержки, основанной на комплексном анализе имеющихся данных.
Существует множество стратегий и практик выбора оптимального местоположения на основе математических, статистических, геоинформационных и других подходов [Айвазян и соавт. 1989; Берлянт 1986, 1989]. Использование технологий геоинформационного моделирования создает основу для представления в сопоставимом виде (в виде тематических слоев) показателей, характеризующих состояние природных компонент геотехнических объектов; характеристик мест возникновения на разных участках территориальной системы (например, отходы, возникающие на промышленных предприятиях или в результате жизнедеятельности людей); места хранения и переработки отходов и прочее. Использование математико-статистических методов создает основу анализа территориально-временной изменчивости показателей состояния компонентов территориальных систем в условиях неопределенности свойств взаимосвязанных процессов, обусловленных природными, социальными, техногенными факторами, в том числе процессами возникновения, хранения, транспортировки и переработки отходов. То есть с помощью технологии математико-геоинформационного моделирования можно аргументированно свидетельствовать о том, что происходит в системе управления отходами, улучшается ситуация или нет; оценить, насколько целесообразно и обоснованно выбираются места под строительство предприятий по переработке отходов. В связи с этим данные технологии могут быть использованы в качестве инструмента для информационной поддержки выработки согласованного решения в сфере управления отходами.
Основой информационной поддержки выработки консолидированного решения по урегулированию проблемной ситуации является представление в структурированном виде знаний и информации вовлеченных субъектов, разноаспектный анализ доступных данных, характеризующих негативное влияние отходов на состояние окружающей среды и здоровье населения. Реализация этой деятельности создает основу формирования альтернатив решения задач, связанных со сбором, организацией временного хранения, транспортировкой отходов.
Для анализа различных точек зрения в отношении строительства предприятий по переработке отходов было проведено районирование территории Республики Башкортостан, исходной информацией для которого явились сведения о количестве образованных, использованных, обезвреженных и захороненных отходов в муниципальных районах Республики Башкортостан.
Эти показатели характеризуют систему управления отходами только с одной стороны - с точки зрения населения. Любой человек может вынести заключение о том, в том ли месте стоят предприятия по переработке отходов, хорошо ли работает правительство при решении данных проблем, куда тратятся деньги, поступающие от населения в качестве налогов, и т. д. Другими словами, каждый заинтересован в том, чтобы знать, сколько поступает отходов в окружающую среду, сколько их приходится
на душу населения, как соотносятся объемы выпускаемой продукции с объемами производимых отходов и т.д. Причем с помощью данных показателей можно не только проанализировать, насколько правильно выбраны места постоянного и временного хранения и переработки отходов, но и оценить изменение состояния природной среды и здоровья населения.
Плотность населения, количество промышленных предприятий, количество свалок, полигонов твердых бытовых отходов, расположение мусоросортировочных станций - все это оказывает влияние на уровень загрязнения муниципальных районов Республики Башкортостан. В связи с этим неоднородность обусловливает возможность выделения среди всей совокупности районов республики определенных групп, причем решение данной задачи выражается в классификации территорий муниципальных образований по значениям характеристик состояния.
Классификация участков территории основана на разработке формальных методов регуляризации пространственных данных, позволяющих отнести каждый участок территории к тому или иному классу состояний. В общем случае задача классификации представляется в следующем виде:
у(л, у) - л, у), (1)
где р( X, у) - рельеф поверхности, образуемый характеристиками состояния;
5(X, у) - пространственная мозаика, образуемая участками исследуемой территории [Гузаиров и соавт. 2008].
Основой преобразования р(X, у) в 5(X, у) является использование различных
шкал, устанавливающих соответствие между диапазонами значений показателей рельефа характеристик и классами состояния территории, то есть
а1 <р(х, у) <в ^ С., (2)
где а , /3 - границы ¡-го подинтервала классификационной шкалы;
С - 1-й класс состояния участка территории [Там же].
С помощью данного метода можно в наглядной форме отобразить именно те муниципальные районы, в которых строительство промышленных предприятий по переработке отходов является наиболее перспективным. На рисунках 2-4 представлены результаты районирования территории Республики Башкортостан, позволяющие проанализировать эффективность и результативность решения локальных задач управления отходами.
Рис. 2. Количество образованных отходов на душу населения / км2 территории Республики Башкортостан за 2015 г.
Рис. 3. Количество использованных и обезвреженных отходов на душу населения / км2 территории Республики Башкортостан за 2015 г.
Согласно данным картам, можно заметить, что в ряде районов (Туймазинском, Альшеевском, Уфимском и др.) количество использованных и обезвреженных отходов в соотношении всего объема образованных за этот год сравнительно меньше по отношению к захороненным отходам. Кроме того, проведение сравнительной оценки муниципальных районов Республики Башкортостан позволило выделить группы районов, являющиеся наиболее перспективными при выборе места под строительство мусороперерабатывающих предприятий. Так, можно заметить, что целесообразнее создавать предприятия по их переработке в городах Уфе, Стерлитамаке, Туймазы, Нефтекамске, Сибае, Кумертау.
Рис. 4. Количество захороненных отходов на душу населения / км2 территории Республики Башкортостан за 2015 г.
Для того чтобы оценить целесообразность выбора мест под строительство предприятий по переработке отходов, необходимо оценить систему управления отходами с помощью различных характеризующих ее параметров [Христодуло и соавт. 2015; Khristodulo et я1. 2017]. Образующиеся отходы характеризуются различным компонентным составом и, соответственно, различной степенью негативного
воздействия, что требует применения различных методов агрегирования (свертки) экологической информации.
В качестве одного из вспомогательных инструментов, позволяющих районировать территорию Республики Башкортостан в зависимости от степени негативного воздействия? может быть использован аппарат статистических индексов, основанный на обобщении априорной статистической информации и расчете единого обобщенного показателя из нескольких частных.
Благодаря ежегодным статистическим данным известно состояние системы управления отходами в различные периоды времени. Но для того чтобы выяснить, как изменяется ситуация в данной области, необходимо сравнить информацию за разные годы, а для этого полученные данные необходимо для начала сопоставить между собой, что как раз и позволяют определить статистические индексы. То есть индексы -это инструмент для анализа изменения состояния во времени, а также инструмент для обеспечения сопоставимости данных, полученных в разных условиях. Кроме того, индексы - это мощный инструмент, позволяющий построить интегральный показатель состояния сложных объектов и обеспечивающий сцепление показателей, полученных в разных условиях.
Идея метода обобщенного параметра [Каплан, Нортон 2005; Палий 2004; Кюн 1981; Гаскаров и соавт. 1974] заключается в том, что процесс, характеризуемый многими компонентами, описывается одномерной функцией, численные значения которой зависят от контролируемых компонентов процесса. Такая функция рассматривается как обобщенный параметр процесса.
При обобщении параметров, характеризующих систему управления отходами, необходимо для начала определить относительные значения первичных параметров, основанные на статистических индексах, а уже затем построить математическое выражение для обобщенного параметра.
Определение относительных значений частных параметров считают необходимым, поскольку состояние объекта может характеризоваться параметрами, имеющими различную размерность. Поэтому все контролируемые параметры приводят к единой системе измерения, в которой они могут быть сравнимыми.
В связи с этим для расчета статистических индексов возьмем базовый период (2015 г.) и значения частных показателей, которые переведем в относительные (безразмерные) путем нормирования на минимальное значение данного показателя по области:
(t)=-f1 ' (3)
i min
где P - признак муниципального образования;
yi j - признак муниципального образования (частный показатель) в относительных единицах.
В результате каждому муниципальному образованию была поставлена в соответствие относительная характеристика каждого из частных признаков.
Оценку состояния процесса по множеству контролируемых параметров можно оценить с помощью следующего обобщающего выражения:
У y- (t)
h (t) = ^Г^, (4)
j N.
j
где I. (t) - обобщенный параметр процесса;
^ } (/) - сумма относительных показателей N^ - количество частных показателей.
Как видно из выражения, чем больше ^ у^ () - то есть значение частного параметра, тем больший вклад оно вносит в обобщенный параметр I. (). Чем больше
степень негативного воздействия каждого из параметров, тем больше значение обобщенного параметра.
Таким образом, с помощью данной формулы для каждого муниципального района был вычислен обобщенный параметр, отражающий степень негативного воздействия отходов на состояние окружающей среды и здоровья населения. Районирование территории по данному показателю позволило разделить районы на 3 группы: районы с высоким, средним и низким уровнем негативного воздействия на состояние окружающей среды и здоровье населения (рис. 5). Кроме того, на карте (рис. 5) выделены границы буферных зон, определяемые Республиканской целевой программой в соответствии со схемой сбора отходов.
Условные обозначения
. Бирок Мусоросортировочная станция
1500001 Мощность мусоросортировочных линий.
32.6 Количество образованных отходов в муниципальных районах. кТ
| | Низкий уровень негап явного воздействия
ш Средний уровень нега тивного воздействия
1 1 Высокий уровень нег ативного воздействия
ш Граница буферной зо» ы. размером 35 км
пз Граница буферной зо« ы. размером 55 км
Рис. 5. Районирование территории Республики Башкортостан по обобщенному показателю за 2015 г.
Сопоставив результаты районирования с существующей схемой обращения с отходами Республики Башкортостан, можно отметить, что выбор места под строительство большинства промышленных предприятий по переработке отходов наиболее оптимален. Но для того чтобы перейти к более детальному оцениванию
обоснованности выбора мест расположения предприятий по переработке отходов, необходимо воспользоваться следующими подходами, основанными на анализе:
1) степени негативного воздействия отходов на состояние окружающей среды и здоровье населения;
2) возможности транспортировки отходов без промежуточного хранения.
На рисунке 6 представлены диаграммы, отражающие данные подходы, то есть можно увидеть, как соотносятся существующая схема строительства мусороперерабатывающих предприятий с фактическими данными о состоянии системы управления отходами. Можно заметить, что не всегда размещение предприятий по переработке отходов осуществляется в районах с высоким уровнем негативного воздействия. Схема сбора и транспортировки отходов еще далека от идеала, поскольку еще достаточно много территорий с высоким уровнем загрязнения остаются без должного внимания, а большинство территорий, подвергающиеся сбору и транспортировке отходов, перекрываются, что также говорит о нерациональном расположении предприятий по переработке отходов.
Размещение предприятий е учетом степени негативного воздействия
■ Районы с низким уровнем не
■ Районы со средним уровнем
■ Районы с высоким уровнем негативного водействия
Доля территорий, не попадающих в зону ответственности предприятий по переработке отходов
■ Районы с низким уровнем» окружающей среды и здоровья н
■ Районы со средним уровнем негативного водействия на состояние
Доля территорий, с которых осуществляется транспортировка отходов без использования промежуточных пунктов хранения
Условные обозначения
в6™1 Мусоросортировочная станция
32.6 Количество образованных отхс иуниципальных районах. кТ
Средний уровень негативного Высокий уровень негативного оздействия воздействия
Доля территорий, с которых отходы транспортируются без промежуточных хранения
Доля территорий, с которых отходы транспортируются с промежуточных пунктов хранения
Доля территорий, с которых отходы могут доставлялся на разные пункты переработки
Рис. 6. Оценка обоснованности выбора мест расположения предприятий по переработке отходов
Заключение. Проблема выбора местоположения при строительстве предприятий по переработке отходов на сегодняшний день решается неэффективно, поскольку отсутствует согласованное видение проблемной ситуации всеми заинтересованными сторонами - органами исполнительной власти разных уровней, инвесторами, населением, проживающим на исследуемой территории. Решение этой проблемы должно происходить на местном уровне - уровне муниципального образования с учетом местных ресурсов, включая возможность альтернативных вариантов выбора местоположения при строительстве промышленных предприятий по переработке отходов, которые впоследствии выносятся на всеобщее обсуждение. Это позволит значительно снизить социальную напряженность со стороны населения, получить прибыль инвесторам, улучшить экологическую обстановку в регионе.
Использование технологий геоинформационного и математического моделирования дает возможность провести оценку территории Республики Башкортостан с точки зрения управления отходами. Использование геоинформационных методов анализа и обобщения различных статистических данных позволило картографировать территорию Республики Башкортостан на различные районы по степени негативного воздействия на окружающую среду и здоровье населения. Полученные данные можно использовать в качестве инструмента для информационной поддержки выработки согласованного решения для дальнейшего аргументированного обсуждения всеми заинтересованными сторонами.
Результаты исследований, представленные в статье, частично поддержаны грантом 18-08-00885-А «Методологические основы многокритериального управления процессом выбора местоположения промышленных предприятий по переработке отходов на основе положений эвергетики».
Библиографический список
Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989. 607 с.
Бахонина Е.И., Савоськина Р.Р. Ситуация с твердыми бытовыми отходами в РБ // Изв. Самар. Науч. Центра РАН. 2014. № 1 (6). С. 1689-1694
Берлянт А.М. Картографический метод исследования. М.: МГУ, 1988. 252 с.
Берлянт А.М. Образ пространства: карта и информация. М.: Мысль, 1986. 254 с.
Гаскаров Д. В., Голинкевич Т. А., Мозгалевский А. В. Прогнозирование технического состояния и надежности радиоэлектронной аппаратуры. М.: Сов. Радио, 1974. 224 с.
Гузаиров М.Б., Гвоздев В.Е., Ильясов Б.Г., Колоденкова А.Е. Статистическое исследование территориальных систем. М.: Машиностроение, 2008. 187 с.
Каплан Роберт С., Нортон Дейвид П. Стратегические карты. Трансформация нематериальных активов в материальные результаты: пер. с англ. М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2005. 512 с:
Кюн Ю. Описательная и индуктивная статистика: пособие-памятка / пер. с нем. В.С. Дуженко. М.: Финансы и статистика, 1981. 126 с.
О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2013 году: гос. докл. / М-во природных ресурсов и экологии Рос. Федерации. М., 2014. 463 с.
Об осуществлении регионального государственного экологического надзора на территории Республики Башкортостан в 2014 году: гос. докл. / М-во природопользования и экологии РБ. Уфа, 2015. 150 с.
Об отходах производства и потребления [Электронный ресурс]: федер. закон Рос. Федерации от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ // Официальный интернет-портал правовой информации. URL: http://pravo.gov.ru.
Об экологической ситуации на территории Республики Башкортостан в 2014 году: гос. докл. / М-во природопользования и экологии Республики Башкортостан. Уфа, 2015. 172 с.
Обращение с отходами производства и потребления / Х.Н. Зайнуллин [и др.]. Уфа: Диалог, 2005. 292 с.
Палий И.А. Прикладная статистика: учеб. пособие для вуза. М.: Высш. шк., 2004.
176 с.
Республиканская целевая программа «Совершенствование системы управления твердыми бытовыми отходами в Республике Башкортостан на 2011-2020 годы», утвержденная постановлением Правительства Республики Башкортостан от 18.11.2011 №412. Уфа, 2011. 153 с.
Система управления отходами в странах ЕС [Электронный ресурс]. URL: http ://waste-nn.ru/sistema-upravl eniya-othodami -v-stranah-es/ (дата обращения: 06.06.2018) Христодуло О.И., Салимзянов И.Ф., Гареева Н.Р. Разработка информационной системы размещения объектов техногенной опасности с использованием нечеткой логики // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2015. Т. 5 (229). С. 47-58.
Khristodulo O., Davletbakova Z., Gvozdev V. Spatial Information Processing for Decision-making Support of Siting Sources of Technogenic Hazards Using Computer Technologies // 2nd International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). Челябинск, 2017. Р. 1-5.
