Оценка пространственно-временной динамики экологической обстановки на основе обобщенной функции желательности (на примере Нижегородской области) Текст научной статьи по специальности «Математика»

Биология

Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2013, № 5 (1), с. 164-170

УДК 504.06

ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ ДИНАМИКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ОБОБЩЕННОЙ ФУНКЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ)

© 2013 г. В.А. Басуров

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского

basurov@mail.ru

Поступила в редакцию 15.03.2013

Работа посвящена определению уровня антропогенного воздействия на территории, с учетом особенностей конкретных социо-эколого-экономических систем. Предложенная процедура сжатия экологической информации дает возможность обрабатывать любое число экологических показателей различной размерности, визуализировать динамику экологической ситуации в пространственном и временном аспектах.

Ключевые слова: социо-эколого-экономическая система, антропогенная нагрузка, индекс желательности, экологическое зонирование.

Введение

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 [1]. Используемый в данной работе термин «социо-эколого-экономическая система» обозначает системы двух уровней организации: территориального (регионального) - Нижегородская область и местного (локального) - административные районы Нижегородской области [2].

Современные методы позволяют быстро и с высокой точностью определять воздействие на среду, но это приводит к накоплению громоздких, трудноанализируемых массивов числовых данных. Таким образом, необходима определенная процедура свертывания 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 свертывания информации предполагает выбор или конструирование наиболее информативных переменных - индексов

[3, 4]. В общем случае индекс - это результат свертывания информации о системе (экосистеме), процедура которого может осуществляться различными путями и приводить к различным формам. При этом индексы носят прикладной характер, их основная функция - давать необходимую информацию для лиц, принимающих управляющие решения.

С целью оптимизации оценок был выбран метод индекса желательности. Аналитические индексы, основанные на функциях желательности (обычно обозначаются буквой d от фр. desirable - 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 дает возможность объединять в единый показатель самые различные параметры [5]. В рамках настоящего исследования использовались следующие выражениями: когда увеличение натурального показателя (x) является «желательным» 2(x • x )

п max / (1)

22 X + Xmax

и в случае, когда увеличение натурального показателя (х) является «нежелательным»

2(х. •X . )

V г шт /

d=

2 2 Xi + X min

(2)

Использование расчета по данным формулам обосновано, поскольку позволяет избежать нулевых значений частной функции желательности, что особенно важно, когда период исследования ограничен. Таким образом, предложенная процедура сжатия экологической информации дает возможность обрабатывать любое число экологических показателей различной размерности, визуализировать динамику экологической ситуации во временном и пространственном аспектах [6].

Функция желательности, рассчитанная по формулам (1) и (2), представляет собой частный отклик какого-либо показателя. Для оценки обобщенного отклика (то есть обобщенной функции желательности) осуществляют процедуру усреднения в виде средней геометрической.

Обобщенная функция желательности может быть рассчитана по формуле

D =

! • 4 • 4 . . .4

12 3 П

(3)

где 4г - частная функция желательности, п -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 (2002-2006гг.)». В разрезе 48 административных районов Нижегородской области экспертным путем были ото-браны15 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 природных водных объектов (млн. куб. м); использовано свежей воды (млн. куб. м); сброс сточных вод в поверхностные водные объекты

(нормативно очищенных) (млн. куб. м); сброс сточной воды в поверхностные водные объекты (загрязненной) (млн. куб. м); безвозвратное во-допотребление (млн. куб. м).

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 2002. Для уточнения и детализации данных был проведен многомерный кластерный анализ (метод полной связи) [7, 8] ранжированного по величине индекса желательности ряда административных районов с использованием пакета прикладных программ Statistica 6.0.

По результатам кластерного анализа была получена древовидная дендрограмма для 48 районов Нижегородской области в 2002 году (рис. 1). Прерывание дендрограммы по расстоянию, равному 0.02, позволяет получить 2 кластера, однако с целью выравнивания объемов групп мы сочли целесообразным провести разделение на расстоянии 0.01.

При этом получившееся число кластеров равно 5:

- удовлетворительная экологическая обстановка (А),

- относительно удовлетворительная экологическая обстановка (В),

- умеренно напряженная экологическая обстановка (С),

- напряженная экологическая обстановка (Р),

- критическая экологическая обстановка (Е).

Распределение административных районов

Нижегородской области по кластерам в зависимости от величины функции желательности представлено в табл. 1.

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 при-

п

Древовидная диаграмма для 4& йЗъекгов Полная сйяіь Евипїдово расстояния

затовскиї эяноасит Зортынгаий

НЯГИНИКСКИЙ ЭЭеПНИНСКНЙ

Бцдскии Бачсычй Тиншаепскнй Ветлуахяии Чкап&аский Ггильнмнский Сеченивсккй Взрнэвинсккй Восксрсенскии Красч№ачои£чий

ЛЫСКОВСКИИ

Поикксгскип

Дїааашинский

Гновонейснни

Сйигачский

Воподррсии^

Д.КОНСГЙН7ИНПВСЇИИ

Саменоаснмй

УреискиА

Ашамасскии

Балакуинский

Борский

Паалонскии

Ґородец™$

Багарпдский

ШкунСкии

Куле&аккжчй

Выксунский

КСТЭЙСКиЙ

Большей йлл» некий

Гагинсхии

Сонвпьсшй

Бпльшемуряшкчнский

КаыСнбоктябуьСкпй

іеревмсиілй

Вознесенский

бнвннжий

Пкнокиий

ШаТКПВСКИИ

Ша ранга* и Бутуйтжжий спасіиий Тонкинский

if

1И t

ІЙ

! Й 1

У

ь

:■

h

и

h

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

Расстояние объединения

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

родно-территориальные 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-территориальных комплексов (ПТК) [9]. 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 E) экологическими ситуациями.

Описанная выше многоэтапная процедура вычисления функции желательности, получения кластерного решения и визуализация результа-

тов на картограмме была реализована для массива данных за 2006 год (рис. 3).

Природно-территориальный комплекс Северного Заволжья включает в себя районы с разной экологической обстановкой. Особенно выделяется Шахунский (48) район, который несмотря на общую тенденцию к улучшению экологической ситуации в административных районах Нижнего Новгорода, сохранил в 2006 году свое положение в кластере Е, характеризующемся критической экологической обстановкой. Это связано с высокими показателями антропогенной нагрузки, а именно с количеством загрязняющих веществ, выбрасываемых в атмосферу без очистки, и показателями использования воды. Краснооктябрьский (24) район в 2006 году перешел из кластера A в кластер B, что говорит об ухудшении экологической обстановки. Этому способствовало ухудшение медико-демографических показателей и природоохранных показателей. В остальных районах Северного Заволжья произошло улучшение

Рис. 2. Пространственная динамика экологической обстановки на основе обобщенной функции желательности в Нижегородской области в 2002 году Условные обозначения:

Перечень ПТК

I. Северное Заволжье

II. Южное Заволжье

III. Волжско-Окское междуречье

IV. Западное Предволжье

V. Восточное Предволжье

- удовлетворительная экологическая обстановка (А),

- относительно удовлетворительная экологическая обстановка (В),

- умеренно напряженная экологическая обстановка (С),

- напряженная экологическая обстановка ф),

- критическая экологическая обстановка (Е).

экологической обстановки с соответствующими кой концентрацией производства: Н. Новгород,

Рис. 3. Пространственная динамика экологической обстановки на основе обобщенной функции желательности в Нижегородской области в 2006 году

переходами между кластерами.

Природно-территориальный комплекс Южного Заволжья включает 4 административных района: Городецкий (19), Борский (7), Лысков-ский (29) и Воротынский (15). В городе Бор насчитывается около трех десятков предприятий. Здесь развиты машиностроение, черная металлургия, металлообрабатывающая, торфяная, лесная, деревообрабатывающая, легкая, пищевая промышленность, предприятия промышленности строительных материалов [10]. Высокое развитие промышленности в районах Южного Заволжья повышает антропогенное воздействие на атмосферу и гидросферу и приводит к неблагоприятной экологической обстановке в них.

Значительное влияние на экологическую ситуацию в ряде административных районов оказывает Нижегородская экономическая агломерация, ядро которой составляют города с высо-

Дзержинск, Балахна, Кстово. Соответствующие им районы в составе агломерации также обладают развитой промышленной инфраструктурой [11]. Это обстоятельство создает критическую экологическую ситуацию. Другие районы, расположенные вокруг ядра агломерации, испытывают ее влияние. Балахнинский (3), Богородский (4), Д.Константиновский (20) и Павловский (31) районы отнесены к кластеру Е, характеризующемуся критической экологической обстановкой. Периферийное расположение и сравнительно высокий уровень лесопокрытых площадей Володарского (14) (ПТК Волжско-Окского междуречья) и Чкаловского (45) районов способствовали формированию здесь более благоприятной экологической ситуации.

В большинстве районов Западного Пред-волжья в 2006 году произошло улучшение экологической обстановки по сравнению с 2002 годом, что связано, в основном, с улучшением

Таблица 1

Районы Нижегородской области в порядке убывания индекса желательности в 2002 году

Название района № п/п Значение функции D Число районов Название кластера

Краснооктябрьский 24 0.235 3 А - удовлетворительная

Большеболдинский 5 0.232 экологическая обстанов-

Г агинский 18 0.232

Большемурашкин- 6 0.204 6 В - относительно удов-

Шарангский 46 0.193 летворительная экологическая обстановка

Спасский 41 0.189

Вадский 9 0.186

Бутурлинский 8 0.185

Княгининский 22 0.179

Ветлужский 12 0.164 7 С - умеренно напряжен-

Шатковский 47 0.162 ная экологическая об-

Тонкинский 42 0.161

Сокольский 39 0.157

Пильнинский 34 0.148

Сосновский 40 0.146

Вознесенский 13 0.140

Тоншаевский 43 0.125 18 D - напряженная эколо-

Сеченовский 38 0.122 гическая обстановка

Ковернинский 23 0.12

Варнавинский 10 0.119

Лукояновский 28 0.119

Вачский 11 0.113

Перевозский 33 0.111

Чкаловский 45 0.111

Починковский 35 0.103

Ардатовский 1 0.102

Воскресенский 16 0.100

Воротынский 14 0.094

Краснобаковский 25 0.094

Навашинский 30 0.084

Первомайский 32 0.084

Уренский 44 0.084

Володарский 15 0.082

Лысковский 29 0.078

Сергачский 37 0.067 14 Е - критическая эколо-

Семеновский 36 0.066 гическая обстановка

Д.Константиновски 20 0.063

Богородский 4 0.058

Дивеевский 21 0.052

Борский 7 0.049

Кулебакский 27 0.039

Павловский 31 0.039

Шахунский 48 0.039

Балахнинский 3 0.038

Арзамасский 2 0.031

Г ородецкий 19 0.029

Выксунский 17 0.027

Кстовский 26 0.027

показателей охраны природы и уменьшением загрязнения атмосферного воздуха. Однако здесь выделяются Выксунский (17), Кулебак-ский (27) и Навашинский (30) районы. Указан-

ная территория в Нижегородской области, да и во всем Волго-Вятском районе, имеет особый статус, ее специализацией уже не одну сотню лет является металлургия, а также маши-

Таблица 2

Индекс сходства (К) между одноименными кластерами административных районов Нижегородской области, сформированными по величине обобщенной функции желательности (Р) в 2002 и в 2006 гг.______

Кластеры К

А 0.400

В 0.300

С 0

D 0.600

Е 0.833

ностроение с металлообработкой; представлены и промышленность стройматериалов, и деревообработка. Этот район тяжелой промышленности своим развитием на первоначальном этапе связан с местными минеральными ресурсами, а в последующем - и с выгодным географическим положением. Этими обстоятельствами обусловлен высокий уровень антропогенной нагрузки.

В Восточном Предволжье в 2006 году преобладают районы, относящиеся к кластерам А и

В. Контрастными являются лишь несколько районов: Сергачский (37) и Арзамасский (2) -кластер Е, Починковский (35) и Краснооктябрьский (25) - кластер D. Данная неблагоприятная экологическая обстановка определяется, как и ранее, высоким уровнем промышленного развития. Переход Княгининского района (22) из кластера В в кластер С связан с увеличением выброса в атмосферу загрязняющих веществ по сравнению с 2002 годом.

Для оценки временной динамики экологической ситуации в Нижегородской области мы использовали индекс сходства Серенсена

_?£_, (4)

а + Ь

где а - число районов в кластере за один год, Ь -число районов в кластере за другой год, с - общее число районов в одноименных кластерах за разные года.

Сравнительный анализ одноименных кластеров административных районов Нижегородской области по величине обобщенной функции желательности в 2002 и в 2006 г. (табл. 2) показал наличие временной динамики антропогенной нагрузки.

По сравнению с 2002 годом в 2006 году произошло увеличение числа районов, относящихся к кластерам А и В, главным образом за счет уменьшения объема кластеров С и D.

Описанная методика, равно как и полученные данные, рассчитанные с помощью функции желательности, могут оказаться полезными в практической деятельности при разработке рекомендаций по возможным мерам регионального уровня, нацеленным на снижение негативных воздействий на окружающую среду; прогнозировании развития региона с учетом антропогенных нагрузок на окружающую среду; выявлении критических областей.

Список литературы

1. Гелашвили Д.Б., Басуров В.А., Розенберг Г.С., Моничев А.Я., Пуртов 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.

2. Гелашвили Д.Б., Розенберг Г.С., Басуров В.А., Пуртов И.И., Моничев А.Я., Сидоренко В.В., Юнина

B.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.

3. Воробейчик Е.Л., Жигальский О.А. Экологическое нормирование антропогенных нагрузок // Материалы конф. «Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия защиты окружающей среды». Сыктывкар, 2000. С. 66-74.

4. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург: Наука, 1994. 280 с.

5. 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.

6. Гелашвили Д.Б., Королев А.А., Басуров В. А. Зонирование территории по степени нагрузки сточными водами с помощью обобщенной функции желательности (на примере Нижегородской области) // Поволжский экологический журнал. 2006. № 2. С. 129-138.

7. 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.

8. Басуров В.А. Использование методов многомерной статистики в экодиагностике территорий ( на примере Нижегородской области) // Материалы научно-практической конф. «Проблемы регионального экологического мониторинга», Н. Новгород, 2002.

C. 11-13.

9. География Нижегородской области: учебное пособие. Н. Новгород: Волго-Вятское кн. изд-во, 1991. 200 с.

10. Орфанов И.К. Экономическая и социальная география Нижегородской области: учебное пособие для студентов-географов. Н. Новгород: НГПУ, 1998. 125 с.

EVALUATION OF SPATIO-TEMPORAL DYNAMICS OF ECOLOGICAL SITUATION BASED ON GENERALIZED DESIRABILITY FUNCTION (A CASE STUDY OF THE NIZHNI NOVGOROD REGION)

V.A. Basurov

The article considers the determination of the anthropogenic impact's level over some area taking into account specific features of certain socio-ecological-economic systems. The suggested procedure of environmental data compression provides an opportunity to handle any number of environmental indicators of various dimensions and visualize the dynamics of the ecological situation in spatial and temporal aspects.

Keywords: socio-ecological-economic system, anthropogenic load, desirability index, ecological zoning.