CC BY
45
© И.А. Ганиева, Е.А. Ижмулкина, И.В. Зеньков, 2015 УДК 001.891.3:378.091
И.А. Ганиева, Е.А. Ижмулкина, И.В. Зеньков
РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ВОЗДЕЙСТВИЯ УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СРОКОВ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ ЗАГРЯЗНЕНИЙ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОДУКТИВНОСТИ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ
Рассмотрены теоретические и практические положения по разработке ИАС мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду, визуализации данных мониторинга окружающей природной среды техногенных ландшафтов; описана математическая модель и программный модуль для прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений окружающей среды и сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов. Цель исследования — разработать ИАС, основанную на технологиях ГИС и методах имитационного моделирования, включающую методику мониторинга оценки качества окружающей природной среды отработанных угольных разрезов.
Структура информационно-аналитической системы включает четыре функциональных блока: 1) автоматизированную информационную систему (базу данных) с веб-интерфейсом, предназначенную для хранения данных о техногенных ландшафтах и результатов мониторинга качества их природной среды; 2) геоинформационную систему с веб-интерфейсом, включающую в себя графические и тематические базы данных экологической направленности; 3) программный модуль расчета текущих интегральных характеристик окружающей природной среды территорий изучаемых техногенных ландшафтов и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов; 4) программный модуль визуализации интегральных состояний природной среды техногенных ландшафтов для выявления аномалий и качественной оценки динамики развития системы (мониторинга).
Разработанная информационно-аналитическая система обладает следующими уникальными свойствами: универсальная структура, позволит использовать информационно-аналитическую систему для любого количества данных на любую территорию; достоверность прогноза сроков нейтрализации загрязнений и восстанов-
190
ления биологической продуктивности техногенного ландшафта обеспечивается интерполяцией ретроспективной информации по рекультивированным угольным разрезам, с достаточной высокой оценкой качества природной среды; механизм расчета интегрального (обобщенного) показателя природного состояния выбранной территории позволяет любому пользователю базы данных однозначно оценить экологическую ситуацию; механизм расчета универсален и применим для любых техногенный ландшафтов; возможность генерализации полученных результатов, что означает способность системы работать как на локальном, так и на глобальном уровнях.
В рамках выполнения НИР были достигнуты следующие результаты: сформирована научно-техническая основа для разработки информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов; разработана информационная система мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду; создана геоинформационной система для визуализации данных мониторинга окружающей природной среды техногенных ландшафтов на основе WebAPI; описана математическая модель и программный модуль ее реализации для прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений окружающей среды и сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов; проведена апробация системы на базе угольных разрезов.
Ключевые слова: информационно-аналитическая система, мониторинг, угольная промышленность, восстановление биологической продуктивности, техногенные ландшафты.
По запасам и качеству углей Кузбасс является крупнейшим из всех эксплуатируемых каменно-угольных бассейнов России, добыча угля составляет 56,4% общероссийского объема. Ежегодно в Кемеровской области добывается более 150-200 млн т угля, из них 60% — самым дешевым открытым способом. Проблема негативного влияния на окружающую среду угольной промышленности стоит в Кузбассе особенно остро — 80% почвенного покрова земледельческой части региона трансформировано, а около 100 тыс. га уничтожено полностью; к 2020 г. площадь таких земель, по подсчетам ученых, достигнет 120-150 тыс. га. При общей площади Кемеровской области — 95,5 тыс. км2, площадь нарушенных земель в среднем составляет 0,7%, что в 10 раз больше, чем по России, а в от-
191
ельных районах области, например Прокопьевске, Киселевске, Междуреченске нарушенные территории составляют 19,5%, 27%, 13,2% соответственно [1, 2]. Разрушается почвенный покров, естественные ландшафты, сельскохозяйственные земли замещаются породными отвалами, гидроотвалами, различного вида шламохранилищами. При открытом способе добычи угля и его транспортировке происходят загрязнение водных ресурсов и ландшафтные изменения, приводящие к разрушению целых экосистем. Поверхностная добыча угля полностью уничтожает существующие виды растительности, в том числе и лекарственные растения, разрушает генетический профиль почвы, вытесняет или уничтожает диких животных и среды их обитания, ухудшает качество воздуха, подземных вод, изменяет текущий процесс землепользования, а также в некоторой степени, постоянно изменяет общий профиль земной поверхности.
Столь масштабные нарушения требуют не менее масштабного подхода к ликвидации их последствий. Для разработки эффективных методов и технологий нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов необходимо оптимальное сочетание значимых факторов, своевременная и достоверная оценка пространственно-временных параметров природно-антропогенных условий и процессов, протекающих на разрезах и в прилегающей вокруг территории.
Эффектным инструментом, позволяющим прогнозировать сроки нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов, стала разработанная учеными Кемеровского ГСХИ информационно-аналитическая система, основанную на технологиях ГИС и методах имитационного моделирования, включающая методику мониторинга оценки качества окружающей природной среды отработанных угольных разрезов.
Мониторинг, моделирование и картографическое отображение показателей средствами ГИС дает наглядную картину экологического состояния территории, а также его изменения при применении технологий рекультивации. Техногенные ландшафты встречаются практически во всех странах мира, поэтому проблема мониторинга воздействия промышленности
192
на окружающую среду, прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов является актуальной не только в России, но и во многих странах мира.
Распространенные в настоящее время программно-инструментальные оболочки ГИС, как правило, включают функции, осуществляющие пространственные операции наложения с объектами карты. Однако они далеко не всегда позволяют выполнить необходимые для расчета интегральных показателей аналитические операции над данными, характеризующими состояние экосистем. Кроме того, организация семантических данных имеет свои особенности в каждой ГИС-оболочке, что требует в каждом случае разработки специального программного обеспечения [3, 4].
Таким образом, очевидна актуальность разработки информационно-аналитической системы, включающей базу данных, аналитический модуль прогноза, модуль статистического анализа показателей и качественной оценки интегрального состояния окружающей природной среды посредством визуализации многомерных данных и картографирование. Взаимосвязь расчетной базы данных с ГИС предоставляет дополнительные возможности визуального анализа и исследования пространственных взаимосвязей между угольными разрезами, технологиями их рекультивации и характеристиками их экологического состояния.
Методологической основой оценки качества окружающей среды является вычислительный алгоритм, реализующий возможности многомерного сравнительного анализа. Методика мониторинга интегральной оценки качества окружающей среды будет включать систему индикационных параметров, характеризующих растительность (древесную, травянистую, микрорастительность), фауну (количественный и качественный состав насекомых и теплокровных животных), биогеохимическая индикация (содержание токсичных элементов в растениях, воде, почве).
Мониторинг природной среды может осуществляться различными методами, но наиболее информативными считаются биологические. Однако биоцентрическая направленность исследований может и должна подкрепляться физико-химическим
193
анализом — таким образом, мы получаем наиболее объективную информацию о текущем состоянии природной среды. Концепция интегрального мониторинга реализует системный подход [5] и основана на использовании совокупности взаимокорре-лирующих индикационных параметров, объединенных между собой прочными прямыми и обратными связями в определенную целостность. Это позволяет выявить механизмы развития геосистем в сложившихся условиях антропогенного воздействия.
Такая комплексность особенно важна для оценки процесса восстановления, протекающего на месте промышленных отработок — угольных разрезов, отвалов шламов и т.п. Ведь именно для таких территорий чаще всего характерна неполноценность биогеоценоза — когда из него выпадают важнейшие составляющие компоненты, и оценивать состояние приходится по имеющимся в наличии признакам.
Среди комплекса важных для индикации и мониторинга признаков ведущее место, несомненно, занимает растительность как ведущий компонент ландшафтов (в том числе и антропогенных). В нашей работе предлагается охватить исследованиями все составные части растительности — древесную, травянистую, микрорастительность. Для этого необходимо воспользоваться следующими методиками: исследование физиономических реакций растений (в том числе, оценка жизненного состояния), лихеноиндикация, оценка биохимических показателей.
Немаловажная роль в мониторинге отводится фауне — количественному и качественному составу насекомых и теплокровных животных.
Также большое значение уделяется химико-экологическим методам. Биогеохимическая индикация — определение содержания токсичных элементов в растениях, воде, почве.
Структура информационно-аналитической системы включает четыре функциональных блока (рис. 1):
1) автоматизированную информационную систему (базу данных) с веб-интерфейсом, предназначенную для хранения данных о техногенных ландшафтах и результатов мониторинга качества их природной среды;
2) геоинформационную систему с веб-интерфейсом, включающую в себя графические и тематические базы данных экологической направленности;
194
Рис. 1. Структурная схема информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов
3) программный модуль расчета текущих интегральных характеристик окружающей природной среды территорий изучаемых техногенных ландшафтов и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов;
4) программный модуль визуализации интегральных состояний природной среды техногенных ландшафтов для выявления аномалий и качественной оценки динамики развития системы (мониторинга).
При мониторинге природной среды происходит накопление, систематизация и анализ соответствующей информации. Ис-
195
ходная информация будет включать в себя как можно более подробные данные о пространственно-временной изменчивости различных показателей, включая данные об источниках и факторах воздействия на экосистемы. В ходе НИР спроектированы концептуальная и даталогическая модели базы данных для задач инвентаризации и мониторинга природных ресурсов техногенных ландшафтов. Физическая модель будет реализована с помощью приложения Oracle Application Express (Apex) — свободной среды быстрой разработки прикладного программного обеспечения на основе СУБД OracleDatabase, целиком реализованная как веб-приложение.
Разработанная методология мониторинга и прогноза пространственно-временной динамики индикаторов показателей, отражающих состояние окружающей природной среды техногенного ландшафта и характеристики мероприятий по восстановлению биологической продуктивности техногенных ландшафтов, положена в основу создаваемой геоинформационной системы, слои которой будут содержать и отображать по требованию пользователя все многообразие информации, содержащейся в специализированной базе данных по показателям. Информационной основой при моделировании интегральных индикаторов и показателей качества природной среды средствами ГИС являются картографические материалы и данные экологических обследований территории, представленные различными типами документов, а также справочные материалы и нормативные документы в области экологии и природопользования.
Данные для моделирования интегральных индикаторов и показателей качества природной среды и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений окружающей среды, производимых угольной промышленностью, а так же сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов интенсивно развивающихся территорий можно разделить на актуальные (данные мониторинга) и справочные материалы. Актуальные данные на исследуемую территорию зачастую представлены различными типами данных, картографические материалы имеют различные масштабы. При работе с разноплановыми и разрозненными исходными данными возникают
196
определенные трудности, а именно: необходимость актуализации устаревших сведений о территории, решение вопросов пространственной привязки и генерализации данных, неопределенность границ распространения загрязнений природной среды. С целью решения этих задач в работе будут приведены методы пространственной генерализации таксономической основы при использовании исходных данных, представленных картографическими материалами различных масштабов.
Разработанная информационно-аналитическая система обладает следующими уникальными свойствами:
1. Универсальная структура, позволит использовать информационно-аналитическую систему для любого количества данных на любую территорию;
2. Достоверность прогноза сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенного ландшафта обеспечивается интерполяцией ретроспективной информации по рекультивированным угольным разрезам, с достаточной высокой оценкой качества природной среды;
3. Механизм расчета интегрального (обобщенного) показателя природного состояния выбранной территории позволяет любому пользователю базы данных однозначно оценить экологическую ситуацию;
4. Механизм расчета универсален и применим для любых техногенный ландшафтов;
5. Возможность генерализации полученных результатов, что означает способность системы работать как на локальном, так и на глобальном уровнях.
Исследование предметной области проводилось путем изучения опыта проблемной научно-исследовательской лаборатории рекультивации нарушенных земель Кемеровского ГСХИ, которая осуществляет интегральный мониторинг окружающей природной среды техногенных ландшафтов, основанный на использовании совокупности взаимокоррелирующих индикационных параметров, объединенных между собой прочными прямыми и обратными связями в определенную целостность. Однако анализ используемых в настоящее время способов хранения и обработки информации, полученной в ходе мониторинга, показал, что информация есть, ее даже слишком много, но она
197
не структурирована, не согласована, разрознена, не всегда достоверна, ее практически невозможно найти и получить.
При проведении рекультивационных работ нарушенных территорий важно учитывать как повлияет то или иное решение на ход восстановления земельного участка. Поэтому принятие управленческих решений в условиях отсутствия информационной базы приводит к значительным временным и трудовым затратам, связанными с поиском и обработкой информации по состоянию природной среды техногенных ландшафтов, а также его изменения при применении различных технологий рекультивации. В связи с этим возникает вопрос о необходимости использования программных средств, позволяющих обрабатывать разнородные показатели состояния окружающей среды (флора, фауна, почвенные характеристики и др.), а так же хранить данные о работах, проводимых на участках.
База данных является эффективным инструментом для решения задач мониторинга окружающей среды техногенно нарушенных земель. Такая база позволит хранить, обрабатывать и предоставлять необходимые данные без особых трудозатрат. Это обеспечит своевременное получение информации о состоянии техногенных ландшафтов в виде набора цифровых данных, объединенных по определенному принципу.
В рамках выполнения НИР «Разработка информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов» (соглашение 8658 с Минобрнауки России) были достигнуты следующие результаты:
1. Сформирована научно-техническая основа для разработки информационно-аналитической системы для мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов, включающую 4 функциональных блока:
- базу данных с веб-интерфейсом, предназначенную для ввода и хранения данных о техногенных ландшафтах и результатов мониторинга качества их природной среды;
198
- геоинформационную систему с веб-интерфейсом, включающую в себя графические и тематические базы данных экологической направленности;
- программный модуль расчета текущих интегральных характеристик окружающей природной среды территорий изучаемых техногенных ландшафтов и прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений и восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов;
- программный модуль визуализации интегральных состояний природной среды техногенных ландшафтов для выявления аномалий и качественной оценки динамики развития системы (мониторинга);
2. Разработана информационная система мониторинга воздействия угольной промышленности на окружающую среду, предназначенная для ввода и хранения и обработки данных о техногенных ландшафтах и результатов мониторинга качества их природной среды, позволяющая учесть основные мероприятия проводимые на техногенном ландшафте, включая горные работы, рекультивацию земель и мониторинг флоры, фауны и почвы. В данной статье описаны средства, используемые для проектирования и программирования при создании информационно-аналитической системы.
3. Создана геоинформационной система для визуализации данных мониторинга окружающей природной среды техногенных ландшафтов на основе WebAPI [6];
4. Описана математическая модель и программный модуль ее реализации для прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений окружающей среды и сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов;
5. Проведена апробация системы на базе проблемной научно-исследовательской лаборатории Кемеровского ГСХИ, ООО «ЭкоТех» с практическим выполнением при выборе оптимальных технологий рекультивации, прогнозировании сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов шахты «Комсомолец» ОАО «СУЭК-Кузбасс»; угольных разрезах ОАО «СДС-уголь», ЗАО «СтройСервис»; ООО «Участок «Коксовый».
199
Полученные в ходе выполнения НИР результаты могут быть использованы в следующих областях:
- организация мониторинга, периодичности и представительности экологической информации и формирования информационной основы предотвращения негативных воздействий на окружающую среду;
- учеными, ведущие исследования по теме НИР, государственными органами, осуществляющими контроль воздействия угольной промышленности на окружающую среду,
- угольными предприятиями (экологические подразделения) для систематизации информации, анализа, мониторинга, прогноза и визуализации информации о воздействии угольной промышленности на окружающую среду, для прогнозирования сроков нейтрализации загрязнений окружающей среды и сроков восстановления биологической продуктивности техногенных ландшафтов;
- образовательные процессы высших учебных заведений, по использованию передовых методов и методик мониторинга окружающей среды техногенных ландшафтов.
Результаты НИР могут быть востребованы:
- специалистами государственных органов, осуществляющие контроль воздействия угольной промышленности на окружающую среду;
- коллективами экологических подразделений угольных предприятий;
- научными и научно-педагогическими коллективами в области мониторинга окружающей среды техногенных ландшафтов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федеральный научно-практический журнал «Уголь Кузбасса». — 2011. — № 1.
2. Андроханов В.А. Почвы техногенных ландшафтов: генезис и эволюция [Текст] / В.А. Андроханов [и др.]. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. — 149 с.
3. ГОСТ 34.003-90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизир. системы. Термины и определения [Текст]. — Введ. 01-01-1992. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990. — 23 с.
200
4. ГОСТ Р 22.1.02-95. Термины и определения основных понятий в области мониторинга окружающей среды и прогнозирования чрезвычайных ситуаций [Текст]. — Введ. 01-01-1997. — М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. — 19 с.
5. Зеньков И.В. Инструментарий программно-целевого управления восстановлением техногенно нарушенных агроландшафтов в угледобывающих регионах с развитым земледелием [Текст] / И.В. Зеньков // Уголь. — 2010. — № 11. — С. 64-67.
6. Концепция информационно-аналитической системы мониторинга окружающей природной среды техногенно нарушенных ландшафтов в угледобывающих регионах [Текст] / Д.В. Эйдензон, Е.А. Ижмулкина, И.А. Ганиева, О.В. Лошкарева // Достижения науки и техники АПК. — 2012. — № 7. — С. 75-77.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Ганиева Ирина Александровна — д-р экон. наук, доцент, проректор по научной работе, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», Кемерово, е-шаИ: [email protected]
Ижмулкина Екатерина Александровна — канд. экон. наук, доцент, начальник отдела инновационных технологий, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт», Кемерово, е-шаП: [email protected]
Зеньков Игорь Владимирович - д-р техн. наук, проф., старший научный сотрудник, Конструкторско-технологическое бюро «Наука» КНЦ СО РАН, Красноярск, е-mail: [email protected]
UDC 001.891.3:378.091
DEVELOPMENT OF INFORMATION-AND ANALYSIS SYSTEM FOR MONITORING OF ENVIRONMENTAL IMPACT OF COAL MINING INDUSTRY AND FORECASTING OF PERIOD OF POLLUTION NEUTRALIZATION AND BIOLOGICAL PRODUCTIVITY RECOVERY ON INDUSTRIALLY DISTURBED TERRAIN
Ganieva Irina A., Doctor of Economic Sciences, Assistant Professor, Vice-Principal for Sciences, Kemerovo State Agricultural Institute, Kemerovo, e-mail: [email protected]
201
Izhmulkina Ekaterina A., Candidate of Economic Sciences, Assistant Professor, Head of Innovative Technologies Department, Kemerovo State Agricultural Institute, Kemerovo, e-mail: [email protected]
Zenkoov Igor V., Doctor of Engineering Sciences, Professor, Senior Researcher, Nauka Design and Technology Bureau, Kola Science Center, Siberian Branch RAS, Krasnoyarsk, e-mail: [email protected]
The article addresses theory and practice of development of informa-tion-and-analysis system (IAS) for monitoring of environmental impact of coal industry and visualization of monitoring data on natural environment of industrially disturbed terrains; the mathematical model and software module for forecasting of period of nature pollution neutralization and biological productivity recovery on disturbed terrains are described. The aim of the research is to develop IAS based on GIS technologies and simulation modeling methods, including procedure of monitoring of nature quality evaluations at worked-out open pit coal mines.
The IAS structure includes four functional blocks: (1) automated information system (database) with web-interface intended for storage of data on disturbed terrains and the results of monitoring of nature quality there; (2) GIS with web-interface, including graphical and case study data on ecology; (3) software module to calculate current integral characteristics of natural environment on disturbed terrains and forecasting of period of pollution neutralization and biological productivity recovery; (4) software module for visualization of the integral states of natural environment on disturbed terrains to reveal abnormalities and for qualitative estimation of the monitoring system dynamics.
The developed IAS possesses unique properties: its universal structure is applicable to any array of data on any terrain; reliability of the forecast of period of pollution neutralization and biological productivity recovery on disturbed terrain is ensured by interpolation of retrospective information on reclaimed open pit coal mines at sufficiently high estimate of the environmental quality; the calculation mechanism for integral (generalized) index of the environmental quality on a chosen terrain allows any database user to have unambiguous estimate of ecological situation; the calculation mechanism is universal and applicable for any industrially disturbed terrains; option of generalization of the obtained results implies that the system is runnable both on local and on global levels.
Within the scope of R&D, the following results have been achieved: generation of scientific-and-technical basis for the development of IAS for monitoring of environmental impact of coal industry and for forecasting of period of nature pollution neutralization and biological productivity recovery on industrially disturbed terrains; development of GIS to visualize data of natural environment monitoring on disturbed terrains based on WebAPI; mathematical model and the related software module for forecasting of period of nature pollution neutralization and biological productivity recovery on industrially disturbed terrains; trail of the system in open pit coal mines.
202
Key words: information-and-analysis system, monitoring, coal mining industry, biological productivity recovery, industrially disturbed terrains.
References
1. Coal of Kuzbass: Federal Scientific-Practical Journal, 2011, no. 1.
2. Androkhanov V.A. et al. Soil of Disturbed Terrain: Genesis and Evolution, Novosibirsk, SO RAN, 2004, 149 p.
3. State Standard GOST 34.003-90. Information technology. Set of standards for automated systems. Automated systems. Terms and definitions. Effective data January 1, Moscow, Izd. standartov, 1990, 23 p.
4. State Standard GOST R 22.1.02-95. Terms and definitions of basic notions in the field of environmental monitoring and emergency forecasting. Effective data January 1, 1997, Moscow, Izd. standartov, 1996, 19 p.
5. Zen'kov I.V. Coal, 2010, no. 11, pp. 64-67.
6. Eidenzon D.V., Izhmulkina E.A., Ganieva I.A., Loshkareva O.V. Science and Technology Achievements in Agricultural Sector, 2012, no. 7, pp. 75-77.
203
