CC BY
49
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННОЙ ФУНКЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)
© Басуров В.А.*
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, г. Нижний Новгород
Работа посвящена определению уровня антропогенного воздействия на территории, с учетом особенностей конкретных социо-эколого-эконо-мических систем. Предложенная процедура сжатия экологической информации даёт возможность обрабатывать любое число экологических показателей различной размерности, визуализировать динамику экологической ситуации в пространственном и временном аспектах.
Разработка системы методов оценки уровня антропогенного воздействия на территории должна производиться с учетом специфики конкретных социо-эколого-экономических систем. В этом отношении область как минимальная административная единица, включающая разнообразные по ландшафтам, степени антропогенной трансформации, характеру использования территории и обеспечивающая удовлетворение основных потребностей населения за счет собственных ресурсов, представляется привлекательным для исследования объектом [5, 6]. Используемый в данной работе термин «социо-эколого-эконо-мическая система» обозначает системы двух уровней организации: территориального (регионального) - Нижегородская область и местного (локального) -административные районы Нижегородской области.
Современные методы позволяют быстро и с высокой точностью определять воздействие на среду, но это приводит к накоплению громоздких, трудно анализируемых массивов числовых данных. Таким образом, необходима определенная процедура свёртывания информации. Возможны два пути решения указанной задачи. Первый предполагает случайный отбор нескольких параметров из множества возможных. Такой подход таит в себе опасность существенного искажения реальности и получения неадекватных результатов (выводов). Второй целенаправленный путь свёртывания информации предполагает выбор или конструирование наиболее информативных переменных -индексов. В общем случае индекс - это результат свёртывания информации о системе (экосистеме), процедура которого может осуществляться различными путями и приводит к различным формам. При этом индексы носят при-
* Доцент кафедры Экологии, кандидат биологических наук, доцент.
кладной характер, их основная функция - давать необходимую информацию для лиц, принимающих управляющие решения.
С целью оптимизации оценок был выбран метод индекса желательности [1, 2, 3, 8]. Аналитические индексы, основанные на функциях желательности (обычно обозначаются буквой d от фр. désirable - желательный) упрощают интерпретацию значений, поскольку представляют собой способ перевода натуральных значений в единую безразмерную числовую шкалу с фиксированными границами. Необходимость введения функций желательности определяется различной размерностью переменных, входящих в индекс, что позволяет не усреднять их непосредственно. Перевод же в единую для всех числовую шкалу снимает это затруднение и даёт возможность объединять в единый показатель самые различные параметры [9, 10]. В рамках настоящего исследования использовались следующие выражениями: если увеличение натурального показателя (x,) является «желательным»:
и, в случае, когда увеличение натурального показателя (x,) является «нежелательным»:
Использование расчета по данным формулам обоснованно, поскольку позволяет избежать нулевых значений частной функции желательности, что особенно важно, когда период исследования ограничен. Таким образом, предложенная процедура сжатия экологической информации даёт возможность обрабатывать любое число экологических показателей различной размерности, визуализировать динамику экологической ситуации во временном и пространственном аспекте [5, 7, 11].
Функция желательности, рассчитанная по формулам (1) и (2), представляет собой частный отклик какого-либо показателя. Для оценки обобщённого отклика (т.е. обобщённой функции желательности) осуществляют процедуру усреднения в виде средней геометрической.
Обобщённая функция желательности может быть рассчитана по формуле:
!) .,;[[,/ V'/i-'V'/«-'/., (3)
где d, - частная функция желательности; n - число показателей.
Выбранная нами система оценки с использованием индекса желательности позволяет анализировать как регион, территорию, промышленные и другие зоны, отдельные компоненты окружающей среды (вода, воздух, почва и др.), так и группы населения. Возможности системы позволяют использовать ее для корректной оценки динамики экологической нагрузки в отдельно взятом административном районе, для проведения адекватных сравнений с другими районами и для проведения экологического картирования.
В рамках настоящего исследования использованы материалы предоставленные Территориальным органом Росстата «Охрана окружающей среды и природных ресурсов на территории Нижегородской области (2006 г.)». В разрезе 48 административных районов Нижегородской области экспертным путем было отобрано 15 показателей, которые можно разделить на 3 группы.
1. Показатели антропогенной нагрузки:
- количество предприятий имеющих выбросы загрязняющих веществ от стационарных источников (единиц);
- количество загрязняющих веществ, отходящих от всех стационарных источников выделения (тонн);
- выбросы загрязняющих веществ в атмосферу (тонн);
- количество загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу без очистки (тонн);
- забор воды из природ. водных объектов (млн. куб. м);
- использовано свежей воды(млн. куб. м);
- сброс сточных вод в поверхностные водные объекты (нормативно очищенной) (млн. куб. м);
- сброшено сточной воды в поверхностные водные объекты (загрязненной) (млн. куб. м);
- безвозвратное водопотребление.
2. Показатели охраны природы:
- плата за допустимые выбросы (сбросы) загрязняющих веществ (размещение отходов) в окружающую природную среду (тыс. руб.);
- текущие затраты на охрану окружающей природной среды (тыс. руб.).
3. Медико-демографические показатели; коэффициенты смертности по классам причин смертей, зависящих от экологического состояния территорий (на 1000 человек населения):
- от новообразований,
- от болезней системы кровообращения,
- от болезней органов дыхания,
- от болезней органов пищеварения;
Выделенные параметры были переведены в единую числовую шкалу с помощью частной функции желательности по формулам (1) и (2) и объединены в единый показатель с помощью обобщенной функции желательности по формуле (3). Таким образом, была получена «свернутая» информацию по каждому из 48 районов за 2006.
Для уточнения и детализации данных был проведен многомерный кластерный анализ (метод полной связи) ранжированного по величине индекса желательности ряда административных районов с использованием пакета прикладных программ Statistica 6.0. Прерывание полученной дендрограммы (рис. 1) по расстоянию 0,1 позволило получить 5 кластеров (табл. 1). Номер по порядку соответствует номеру района при административном делении Нижегородской области.
Проведенный анализ дал возможность зонировать территорию Нижегородской области по степени экологического неблагополучия, результаты которого приведены на рис. 2. При визуализации результатов учтено следующее обстоятельство: Нижегородская область делится на природно-тер-риториальные комплексы, различающиеся по своим физико-географическим и природно-зональным особенностям, характеру освоения и современного ведения хозяйства, современному состоянию живой природы. С учетом перечисленных особенностей, а также факторов географической изоляции за счет крупных естественных преград (рек), выделены пять природно-терри-ториальных комплексов (ПТК) [4].Границы вышеперечисленных ПТК показаны на картограмме (рис. 2).
Анализ пространственной динамики экологической обстановки показал, что Центральные районы, тяготеющие к основным водным магистралям (рекам Волге и Оке), обладающие развитой промышленной инфраструктурой и / или преобладанием деградированных природных экосистем, характеризуются напряженной (кластер D) и критической (кластер Е) экологическими ситуациями.
Таблица 1
Районы Нижегородской области в порядке убывания индекса желательности в 2002 году
Название района № п/п Значение функции, D Число районов Название кластера
Большеболдинский 5 0,359
Гагинский 18 0,318
Сокольский 39 0,299 A - удовлетворительная экологическая обстановка
Бутурлинский 8 0,276 7
Спасский 41 0,265
Тонкинский 42 0,252
Перевозский 33 0,232
Продолжение табл. 1
Название района № п/п Значение функции, Э Число районов Название кластера
Краснооктябрьский 24 0,229
Большемурашкинский 6 0,228
Вознесенский 13 0,225
Шарангский 46 0,212
Шатковский 47 0,208
Дивеевский 21 0,205
Сосновский 40 0,204 14 В - относительно удовлетворительная
Сеченовский 38 0,185 экологическая обстановка
Пильнинский 34 0,183
Вадский 9 0,178
Вачский 11 0,178
Тоншаевский 43 0,178
Ветлужский 12 0,176
Чкаловский 45 0,171
Лукояновский 28 0,166
Ардатовский 1 0,162 С - умеренно напряженная экологическая обстановка
Княгининский 22 0,155 5
Воротынский 14 0,153
Ковернинский 23 0,151
Варнавинский 10 0,135
Воскресенский 16 0,133
Краснобаковский 25 0,129
Лысковский 29 0,124
Починковский 35 0,123
Навашинский 30 0,122 14 Э - напряженная экологическая обста-
Сергачский 37 0,118 новка
Первомайский 32 0,117
Уренский 44 0,106
Д.Константиновский 20 0,099
Семеновский 36 0,097
Володарский 15 0,092
Шахунский 48 0,07
Богородский 4 0,069
Кулебакский 27 0,063
Городецкий 19 0,057
Борский 7 0,051 10 Е - критическая экологическая обста-
Павловский 31 0,051 новка
Балахнинский 3 0,047
Арзамасский 2 0,044
Выксунский 17 0,037
Кстовский 26 0,027
Описанная методика равно как и полученные данные, рассчитанные с помощью функции желательности, могут оказаться полезными в практической деятельности при: разработке рекомендаций по возможным мерам ре-
тонального уровня, нацеленным на снижение негативных воздействии на окружающую среду; прогнозировании развития региона с учетом антропогенных нагрузок на окружающую среду; выявлении критических областей.
Рис. 1. Дендрограмма по результатам кластерного анализа значений обобщенной функции желательности (D) 48 административных районов Нижегородской области методом полной связи (complete linkage) в 2006 году
Условные обозначения: Перечень ПТК
I. Северное Заволжье
II. Южное Заволжье
III. Волжско-Окское междуречье
IV. Западное Предволжье
V. Восточное Предволжье
I •• • • •• I - удовлетворительная экологическая обстановка (А); Е = = - относительно удовлетворительная экологическая обстановка (В);
УШ - умеренно напряженная экологическая обстановка (C); lili lili - напряженная экологическая обстановка (D); llilUft:^ - критическая экологическая обстановка (E).
Рис. 2. Пространственная динамика экологической обстановки на основе обобщенной функции желательности (Б) в Нижегородской области (кластерный анализ) в 2006 году
Список литературы:
1. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. - М.: Наука, 1976. - 280 с.
2. Воробейчик Е.Л., Жигальский О.А. Экологическое нормирование антропогенных нагрузок // Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия зашиты окружающей среды: Материалы конф. Сыктывкар, 2000. - С. 66-74.
3. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). - Екатеринбург: Наука, 1994. - 280 с.
4. География Нижегородской области: учебное пособие. - Н.Новгород: Волго-Вятское кн. изд-во, 1991. - 200 с.
5. Гелашвили Д.Б., Басуров В.А., Розенберг Г.С., Моничев А.Я., Пур-тов И.И., Сидоренко В.В. Экологическое зонирование территорий с учетом роли сохранившихся естественных экосистем на примере Нижегородской области // Поволжский экологический журнал. - 2003. - № 2. - С. 99-108.
6. Гелашвили Д.Б., Розенберг Г.С., Басуров В.А., Пуртов И.И., Моничев А.Я., Сидоренко В.В., Юнина В.П. Анализ пространственной динамики напряженности экологической ситуации в Нижегородской области на основе обобщенного индекса антропогенной нагрузки // Теоретические проблемы экологии и эволюции: Третьи Любищевские чтения. - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2000. - С. 44-52.
7. Жигальский О.А., Воробейчик Е.Л. Проблемы экологического нормирования техногенных нагрузок // Региональные и муниципальные проблемы природопользования. - Кирово-Чепецк, 1996. - С. 34-35.
8. Заде Л.А. Размытые множества и их применение в распознавании образов и кластер-анализе // В сб.: Классификация и кластер. - М: Мир, 1980. -С. 208-247
9. Носов В.Н., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. Построение функции желательности при анализе данных экологического мониторинга // Изв. РАН. Сер. биол. - 1997. - № 1. - С. 69-74.
10. Федоров В.Д., Сахаров В.Б., Левич А.П. Количественные подходы к проблеме оценки нормы и патологии экосистем // Человек и биосфера. - М.: Изд-во МГУ, 1982. - Вып. 6. - С. 3-42.
11. Тамарина Н.А., Максимов В.Н., Александрова К.В., Георгиева Е.К. Функция желательности как обобщенный критерий качества лабораторных культур насекомых // Журнал общей биологии. - 1981. - N 4. - С. 597.
