Научная статья на тему 'Когнитивное моделирование влияния сезонных изменений климата на характер химического загрязнения урбоэкосистемы'

Когнитивное моделирование влияния сезонных изменений климата на характер химического загрязнения урбоэкосистемы Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
423
84
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ХИМИЧЕСКОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ УРБОЭКОСИСТЕМЫ / КОГНИТИВНАЯ КАРТА / КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ИМПУЛЬСНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Ильченко И. А.

Представлена модель урбоэкосистемы, разработанная на основе когнитивных карт механизмов химического загрязнения компонентов урбоэкосистемы в летний и зимний периоды соответственно, и представлены результаты моделирования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Когнитивное моделирование влияния сезонных изменений климата на характер химического загрязнения урбоэкосистемы»

КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СЕЗОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ КЛИМАТА НА ХАРАКТЕР ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ УРБОЭКОСИСТЕМЫ

Ильченко И.А.

(Тяганрогский институт управления и экономики, г. Таганрог) к^ес1га_е1£@таП. ги

Представлена модель урбоэкосистемы, разработанная на основе когнитивных карт механизмов химического загрязнения компонентов урбоэкосистемы в летний и зимний периоды соответственно, и представлены результаты моделирования.

Ключевые слова: химическое загрязнение урбоэкосистемы, когнитивная карта, когнитивное моделирование, импульсное воздействие

Введение

Загрязнение природной среды является сегодня одной из острых глобальных экологических проблем и наблюдается не только на глобальном, но и на региональном и локальном уровнях [1,5]. Несмотря на тотальный характер этого явления необходимо своевременно предпринимать соответствующие меры по снижению степени загрязнения окружающей среды и в дальнейшем по предотвращению этого опасного явления как в международном масштабе, так и в пределах отдельных государств, районов и экосистем. Наиболее опасным видом загрязнения на сегодняшний день является химическое, а самыми уязвимыми объектами загрязнения - искусственно созданные экосистемы [3]. Поскольку большая часть населения планеты проживает в городах, представляющих собой неустойчивые урбоэкосистемы, то проблема установления характера и возможных последствий

химического загрязнения таких экосистем является актуальной в связи с необходимостью обеспечения благоприятных условий для жизнедеятельности этой группы населения.

Модель урбоэкосистемы, разработанная на основе когнитивных карт механизмов химического загрязнения компонентов урбоэкосистемы

Для изучения характера химического загрязнения урбоэкосистемы в зависимости от сезонов года и присущих им климатических особенностей, оказывающих влияние на миграцию пол-лютантов между компонентами системы, были разработаны когнитивные карты G1 и G2 для теплого и холодного сезонов (рис. 1,8). Построение когнитивных карт и последующее ситуационное моделирование было проведено с помощью вычислительных программ ПС КМ [2, 6]. Анализ обеих карт показывает, что основными абиотическими компонентами городской экосистемы, подвергающимися влиянию стационарных и подвижных источников загрязнения, являются атмосферный воздух, почва, грунтовые и подземные воды, а аналогичными биотическими реципиентами - растительность и население. К сожалению, оценить влияние химического загрязнения на городскую фауну не представляется возможным из-за отсутствия соответствующих данных. В когнитивной карте G1 присутствуют 4 цикла с положительной обратной связью: 1) цикл VI-V3-VI характеризует влияние растительности на состав воздуха, 2) цикл VI-V4-VI -перенос загрязнителей между воздухом и почвой, 3) цикл V4-V3-V4 - перенос загрязнителей между растительностью и почвой, 4) цикл VI-V4-V3-VI - миграцию загрязнителей из воздуха в почву, затем в растения и далее влияние растительности на состав атмосферного воздуха (рис.1). Последний цикл отражает взаимодействие аэро-, гео- и биосистем (роль последней в урбоэко-системе выполняет растительность) в поддержании естественных параметров среды. В г. Таганроге подземные водоисточники используются для удовлетворения потребностей населения в питьевой воде и тем самым оказывают влияние на

здоровье горожан. Разработанная модель урбоэкосистемы не рассматривает движения воздушных масс, в результате которого происходит рассеивание загрязнителей и снижение загрязнения воздушного бассейна в пределах городской территории. В связи с этим проведенное моделирование по своему характеру является нединамическим и, следовательно, позволяет оценить вероятные критические уровни загрязнения городской среды обитания с позиций предельно допустимых уровней загрязнения и предельно допустимых концентраций поллютантов.

у5.Загрязнение грунтовых

ВОД

Рис. 1. Когнитивная карта (¡1 «Механизм химического загрязнения компонентов урбоэкосистемы в летний период»

Анализ когнитивной карты С1 показывает, что некоторые поллютанты воздушной среды могут мигрировать по маршруту У1-У4-У5-У6-У2, обуславливая опосредованное влияние загрязнения воздуха на здоровье людей, которое проявляется через воздействие первичных загрязнителей, а также вторичных загрязнителей, образующихся в почве из первичных и в растворенном виде поступающих в подземные источники водоснабжения. Наличие 4-х циклов с положительной обратной связью свидетельствует о структурной неустойчивости системы [4]. Однако расчет собственных чисел матрицы отношений показал, что всего таких чисел 6, из них максимальное по модулю со-

ставляет 0,52, и, следовательно, можно ожидать проявления системой некоторой устойчивости.

Значения весовых коэффициентов дуг eij когнитивной карты были определены на основании среднемноголетних данных экологического и социально-гигиенического мониторинга г. Таганрога и соответственно равны: е\2 = -0,4; е 13 = -0,4; еЗ 1—0,2; <?14 = 0,7; е43 = -0,3; е45 = 0,5; е56 = 0,5; е62 = -0,3; <?41 = 0,2; <?34 = -0,1;<?32 = -0,1.

В сценарии 1 активизировалась вершина VI «Загрязнение воздуха» путем внесения импульсов разной величины и изучалось изменение контролируемых параметров, в качестве которых были выбраны загрязнение воздуха, загрязнение почв, состояние растительности и здоровье населения. В процессах 1 и 2 характер изменения контролируемых параметров аналогичен (рис. 2, 3): на 1-м такте в вершину VI однократно вносится соответствующий импульс, на 2-м такте начинает увеличиваться загрязнение почв и ухудшаться состояние растительности и здоровье населения, далее характер изменения этих параметров сохраняется, и к 6-7 тактам наблюдается стабилизация данных показателей.

■ Загрязнение воздуха

■ Здоровье населения Состояние растительности

■ Загрязнение почв

■ Загрязнение воздуха - Здоровье населения Состояние растительности ' Загрязнение почв

Рис. 2. Внесение импульса +0,1 Рис. 3. Внесение импульса +1,0 в вершину VI карты (г I в вершину VI карты (И

В 3-м процессе этого сценария (рис. 4) импульс величиной +0,1 вносится с 1-го по 10-й такты моделирования, что приводит к непрерывному росту уровней загрязнения воздуха и почвы и 102

ухудшению состояния растительности и здоровья населения. Однако после прекращения возмущающего воздействия на систему изменение ее контролируемых характеристик замедляется, и к 13-14 тактам наблюдается их стабилизация. Следующий этап моделирования был направлен на выяснение роли растительности в поддержании качества городской среды обитания (сценарий 2). Одновременная подача импульсов величиной +0,1 в вершины VI и УЗ (рис.5) несколько изменяет поведение контролируемых параметров по сравнению с процессом 1 сценария 1 (рис.2), вызывая их колебания со 2-го по 4-й такты и стабилизацию к 5-6 тактам на меньших по модулю значениях.

внесение импульса+0,1 в вер- величиной +0,1 в вершины VI и шину VI карты (7/ с 1-го по УЗ карты 01

10-й такты моделирования

Введение дополнительной процедуры по очистке воды из подземных водоисточников (сценарий 3, рис.6) перед подачей ее в городскую водопроводную сеть позволяет уменьшить отрицательное воздействие недоброкачественной питьевой воды на здоровье населения, хотя стабилизация остальных изучаемых показателей происходит на тех же уровнях, что и в предыдущем сценарии.

Комплексный подход к улучшению городской среды обитания (сценарий 4) сочетает меры по защите атмосферного воздуха от загрязнения стационарными и подвижными источниками

(д1=-0,1), по озеленению территории (с/3=+(). 1) и очистке воды из подземных водоисточников (д6=-0,1) и является наиболее эффективным, поскольку дает возможность снизить исходные уровни загрязнения воздуха и почв и улучшить состояние растительности и здоровье населения (рис.7).

-------------Со

0.103 0.089 0.075 0.061 0.04В 0.034 0.020 0.006 -0.008 -0.021

Рис. 6. Внесение импульсов Рис. 7. Внесение импульсов величиной +0,1 в вершины VI величиной -0,1 в вершины VI 1^6 и УЗ и импульса -0,1 в вершину и импульса +0,1 в вершину V3 Vб карты С1 карты С1

На основании результатов моделирования этих четырех сценариев для когнитивной карты (і 1 видно, что загрязнение воздуха оказывает не только прямое влияние на состояние растительности и почв, но и косвенно воздействует на самое себя через загрязнение почв и ухудшение состояния растительности по принципу положительной обратной связи. Взаимодействие компонентов городской экосистемы в условиях химического загрязнения осуществляется между подсистемами воздух-почва, воздух-растительность и почва-растительность по принципу положительной обратной связи и проявляется в миграции первичных загрязнителей и в образовании и миграции вторичных загрязнителей. Кроме того, биогенная природа растительности и биокосная природа почв создают предпосылки для накопления в них поллютантов, что также усиливает опасность последствий химического загрязнения урбоэкосистемы. По аналогии с био-геохимическими циклами химических элементов в биосфере, в

грязнение воздуха юровье населения стояние растительности грязнение почв

------- Загрязнение воздуха

....... Здоровье населения

------- Состояние растительности

■ Загрязнение почв

городской экосистеме можно выделить обменный фонд миграции загрязнителей (городской воздушный бассейн) и резервный фонд (городские почвы).

Анализ среднемноголетних данных социальногигиенического и экологического мониторинга г. Таганрога свидетельствует об увеличении уровня загрязнения атмосферного воздуха в зимние месяцы года. Для изучения механизма химического загрязнения урбоэкосистемы в этот период времени когнитивная карта С1 была преобразована в когнитивную карту (72 (рис. 8) путем удаления дуги VI - УЗ и изменения весовых коэффициентов дуг У4-УІ и У4- У5 [4].

Загрязнение грунтовых вод

Рис. 8. Когнитивная карта 02 «Механизм химического загрязнения компонентов урбоэкосистемы в зимний период»

Действительно, перемена климатических условий приводит к изменению роли растительного компонента в миграции пол-лютантов в экосистеме: листопадные растения прекращают активно поглощать загрязнители, в отсутствие травяного покрова с поверхности почвы сдуваются пыль и др. загрязнители, вследствие чего загрязнение воздуха возрастает. С точки зрения термодинамики на уровень химического загрязнения воздуха в первую очередь оказывают влияние его температура, относи-

тельная влажность и скорость ветра. В условиях нединамического моделирования скорость ветра не принимается во внимание, тогда как температура и влажность воздуха, режим которых напрямую связан с сезонными изменениями климата, играют главную роль в процессе миграции поллютантов внутри урбоэкосистемы и определяют итоговый уровень загрязнения и обусловленную им величину экологического риска. В условиях резко континентального климата г. Таганрога летний период характеризуется относительно высокими среднесуточными температурами воздуха и низкой влажностью (т.е. сухо и жарко), а зимний период - низкими температурами воздуха и недостаточным количеством осадков (типичны морозные бесснежные зимы). С понижением температуры воздуха возрастает концентрация в нем кислорода, являющегося сильным окислителем (например, для превращения оксида углерода (II) в оксид углерода (IV)), однако низкая температура сильно замедляет протекание этого процесса, в связи с чем и не наблюдается снижение загрязнения воздуха оксидом углерода (II) [3]. Кроме того, стационарные условия характеризуются однородностью воздушной массы в пределах городской территории, наличием слабого ветра или низких приподнятых инверсий, устойчивой стратификацией атмосферы. Густые дымки, туманы, слабые осадки также способствуют накоплению загрязнителей в воздухе

[7].

В структуре когнитивной карты (72 по сравнению с когнитивной картой С1 имеются только 2 цикла с положительной обратной связью: ¥\-¥4-У\ и ¥1-УЗ-¥4-У1, - однако ожидать усиления саморегулирующих свойств системы было бы преждевременным, принимая во внимание значение вклада растительного компонента в поддержание естественных параметров урбоэкосистемы. На рис. 9 приведены результаты моделирования изменения параметров урбоэкосистемы, когда в вершину VI вносится импульс величиной +0,1. Стабилизация контролируемых показателей происходит при значениях, более сильно отклоняющихся от таковых в аналогичном процессе для когнитивной карты С1 (рис.2). Поскольку управление качеством окружающей среды

в зимний сезон не позволяет проводить озеленительные мероприятия, то следует придерживаться более жестких мер по очистке газообразных примесей предприятий и автотранспорта.

------ Загрязнение воздуха

------ Здоровье населения

------ Состояние растительности

------ Загрязнение почв

Рис. 9. Внесение импульса +0,1 в вершину VI карты 02 Заключение

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и рекомендации. Во-первых, применение когнитивных технологий для решения проблем стратегического управления состоянием природных объектов в условиях химического загрязнения является перспективным, поскольку разработка когнитивных карт и последующее моделирование на их основе различных сценариев изучаемых процессов позволяет не только прогнозировать возможность возникновения определенной экологической проблемы в данном объекте (например, загрязнение подземных источников водоснабжения, ухудшение здоровья населения и др.) и промоделировать вероятность ее развития, но и заранее предпринять комплекс мер (экологических, экономических, административных и др.) по снижению степени экологического риска. Во-вторых, полученные результаты сценарного моделирования показывают, что процессы обмена

веществом и энергией, протекающие в городской экосистеме и играющие важную роль в поддержании экологического равновесия, являются импульсно неустойчивыми вследствие сложных взаимодействий между составляющими ее подсистемами и их компонентами, а также благодаря таким ее свойствам, как сверхоткрытость, сильная зависимость от внешнего окружения, повышенная аккумулятивность и т.д. Поэтому поддержание сложной организации, особой внутренней структуры и приемлемых для жизнедеятельности горожан условий окружающей среды требует затраты больших количеств энергии и больших организационных усилий на всех уровнях управления. В-третьих, смена климатических условий в течение года сопровождается изменением характера процессов миграции загрязнителей в экосистеме, вследствие чего целесообразно рекомендовать установление и использование сезонных значений предельно допустимых концентраций поллютантов в процессах управления состоянием городской окружающей среды. В-четвертых, для достижения наиболее благоприятных значений параметров городской среды обитания и улучшения здоровья горожан следует использовать комплексный подход, сочетающий проведение мероприятий по защите атмосферного воздуха от загрязнения стационарными и подвижными источниками, озеленению (фитомелиорации) и предварительной очистке вод из подземных водоисточников перед подачей их в городскую водопроводную сеть.

Литература

1. ГОРЕЛОВА Г.В., ИЛЬЧЕНКО И.А. Когнитивное моделирование процессов загрязнения урбоэкосистем II Сб. трудов 4-й Международной конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций» CASC’2004, ИЛУ РАН. Москва, 2004. Т.1. С.60-67.

2. ГОРЕЛОВА Г.В. и др. Методы и алгоритмы моделирования развития сложных ситуаций. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003.

3. ИЛЬЧЕНКО И.А. Управление качеством окружающей среды при химическом загрязнении. Таганрог: Изд-во ТИУиЭ, 2004.

4. ИЛЬЧЕНКО И.А. К вопросу об учете климатических условий при выработке стратегии управления параметрами городской среды обитания II Сб. докладов IV Международной научно-практической конференции «Проблемы регионального управления, экономики, права и инновационных процессов в образовании». Таганрог, 2005. Т.2. С.64-73.

5. ИЛЬЧЕНКО И.А., ГОРЕЛОВА Г.В. Комплексный когнитивный анализ факторов городской среды обитания и их влияния на здоровье горожан II Сб. трудов 5-й Международной конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций» CASC’2005, ИПУ РАН. Москва, 2005. - С.60-67.

6. КУЛЬЬА В В., и др. Сценарный анализ динамики поведения социально-экономических систем. М., 2002 (Научное издание / ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН).

7. ХРОМОВ С.П. Метеорология и климатология: Уч. пос./ С.П. Хромов., М.А. Петросянц. М.: Высшая школа, 2002.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.