Последние конференции
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии
- Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии
- Современные проблемы экологии
- Экологические проблемы окружающей среды, пути и методы их решения
- Экология, образование и здоровый образ жизни
Экологический мониторинг водных объектов как информационная основа устойчивого водного хозяйства
Баренбойм Григорий, Веницианов Евгений, Данилов-Данильян Виктор
Институт водных проблем РАН,
г. Москва
Рассматриваются основные направления создания и эффективного использования систем мониторинга водных объектов (МВО) в целях оптимального управления водным хозяйством. Одной из существенных задач является создание единого информационного поля для всех видов МВО на базе концепции управляемого информационного хранилища. Рассматриваются задачи, связанные с использованием различных измерительных технологий, различных видов и источников мониторинга, применением автоматизированных средств мониторинга и дистанционных методов. Предлагаются пути решения сформулированных задач.
Environmental monitoring of water objects as information basis of sustainable development for water economy. Danilov-Daniliyan V., Barenboim G., Venitsianov E. The primary directions necessary for creation and an effective utilization of systems of monitoring of water objects (МWO) with a view of optimum control by a water management are considered. One of essential problems is creation of a uniform information field for all kinds МWO on the basis of the concept of operated information storehouse. The problems connected with use of various measuring technologies, various kinds and monitoring sources, are considered by application of the automated means of monitoring and remote methods. Ways of the decision of the formulated problems are offered.
Концепция устойчивого водного хозяйства является следствием парадигмы устойчивого развития [1]. Эта концепция означает удовлетворение потребностей населения и экономики страны в водных ресурсах по количеству и качеству, а также сохранение (и во многих случаях восстановление) экологического благополучия водных объектов.
Основные проблемы водного хозяйства России связаны с высоким уровнем антропогенных нагрузок на водные объекты, прежде всего с загрязнением разнообразными химическими веществами, нарушением естественного режима при строительстве гидротехнических сооружений, безвозвратными изъятиями воды.
Водные объекты, за исключением специальных резервуаров технического назначения, являются местообитанием множества видов живых организмов. Именно биота обеспечивает важнейшее свойство водных экосистем – способность к самоочищению. Если антропогенная нагрузка не превышает определенных пределов, водный объект справляется с ней. Если этот предел превзойден, происходит деградация водной экосистемы. Одновременно снижается и способность к самоочищению. Заботясь об устойчивости водной экосистемы, человек обеспечивает и удовлетворение своих потребностей в качественном водном ресурсе.
Таким образом, водное хозяйство обязано быть экологически безопасным. Возникает проблема управления экологическим состоянием водных объектов, которые используются для хозяйственных целей. А таких водных объектов – большинство. Необходимо создать систему мониторинга водных объектов – систему наблюдения за состоянием водных объектов и источниками вредных воздействий на них. Система МВО решает важнейшую задачу управления водным хозяйством – обеспечивать ее необходимой информацией.
Согласно Водному кодексу Российской Федерации (ст. 30, п. 3) «Государственный мониторинг водных объектов осуществляется в целях: 1) своевременного выявления и прогнозирования развития негативных процессов, влияющих на качество воды и состояние водных объектов, разработки и реализации мер по предотвращению вредных последствий этих процессов; 2) оценки эффективности осуществляемых мероприятий по охране водных объектов; 3) информационного обеспечения управления водных объектов, в том числе для государственного контроля и надзора за использованием и охраной водных объектов»
Система мониторинга является наукоемкой отраслью водного хозяйства. Во-первых, она имеет дело с огромным числом факторов, за которыми необходимо вести наблюдения. Это гидрохимический мониторинг. Достаточно назвать число компонентов, для которых установлены нормативы ПДК – их около 2 тысяч веществ. Это гидробиологический мониторинг. Число водных организмов, обитающих в водных объектах и характеризующих их экологическое состояние, – более сотни видов. Это гидрологический и гидрофизический мониторинг, определяющий уровень воды и ряд важных параметров (температура, мутность воды, рН и пр.), прямо влияющих на состояние водных экосистем.
Во-вторых, система экологического мониторинга должна отвечать на практически важные вопросы: каков допустимый уровень антропогенной нагрузки и, прежде всего, сколько можно сбросить загрязняющих веществ от промышленности и коммунального хозяйства без ущерба экосистеме, каков допустимый уровень безвозвратного отбора воды?
В-третьих, учитывая протяженность российских рек, система мониторинга должны быть максимально автоматизирована и компьютеризирована. Она должна использовать не только контактные средства (например, отбор проб для анализа в лабораториях), но и дистанционные методы, в том числе спутниковые.
Представленный выше целевой подход позволяет сформулировать критерии отбора показателей, обязательных для наблюдения, с учетом минимизации экономических затрат на ведение МВО.
В технологическом аспекте наблюдение в современных системах МВО ведется на аэрокосмическом, наземном, подземном, надводном и подводном уровнях. Используются разнообразные детекторы, включая создаваемые на основе нанотехнологий. В информационной сфере широко используются самые современные технологии (сбор данных и управление ими на основе управляемых хранилищ информации, операции с некорректными данными, распознавание образов, кластерный анализ, формирование прогнозных и иных моделей, разработка сценариев управленческих решений с использованием элементов искусственного интеллекта и т.д.). Практически обязательным стало использование в системах мониторинга геоинформационных систем. Используются автоматизированные системы МВО [2-5].
Для иллюстрации масштаба затрат укажем, что еще в 1981 г. США истратили на мониторинг и на управление качеством воды, основанное на мониторинге, около 500 млн. долларов или примерно 2-2,5 % от общих природоохранных затрат [6, с.27].
Информационно-измерительные системы мониторинга водных объектов являются, как правило, крупномасштабными и многомерными и представляют временные ряды наблюдений множества характеристик состояния водного объекта в нескольких створах. Многомерность определяется совокупностью большого числа учитываемых компонентов окружающей природной среды, влияющих на экологический статус водного объекта (собственно воды, территории суши в бассейне водосбора, атмосферы как среды массообмена и переноса загрязнений и т.д.), а также разнотипностью антропогенных факторов воздействия на состояние водных объектов (промышленные, транспортные, оборонные, сельскохозяйственные, коммунальные и т.д.). Например, в число негативных факторов антропогенного воздействия попадают химические, радиоактивные и тепловые загрязнения.
Основная проблема множественности видов мониторинга заключается в том, что для управления требуется установить связь между различными видами показателей, причем не только чисто корреляционную, но и причинно-следственную, формализованную в виде математических моделей, которые, в свою очередь используются для формирования сценариев управления. Для этого необходимо создать информационную систему, которая свяжет все разнотипные виды мониторинга единым информационным полем, в рамках которого можно пройти путь от управления измерительными средством и персоналом до формирования сценариев управления.
Анализ имеющихся разработок с позиций их информационного обеспечения показывает наличие ряда принципиальных недостатков в используемых схемах организации мониторинга
Создание единого информационного поля оптимально провести на основе использования хранилища данных и его модификации – управляющего хранилища данных. Как известно, основу современной программной инженерии системного анализа крупномасштабных задач мониторинга составляет методология OLAP-Data Mining, реализующая концепцию хранилища данных (ХД). Согласно определению, данному одним из авторов этой концепции У. Инмону «хранилище данных – предметно-ориентированный, интегрированный, неизменчивый, поддерживающий хронологию набор данных, организованный для целей поддержки принятия решений» (цит. по [7]). Основными этапами сопровождения ХД являются периодический прием и интеграция данных в интересах совместной аналитической обработки и управляющей аналитики.
Изложенная концепция показала высокую эффективность при создании системы экологического мониторинга в зонах уничтожения химического оружия [9] и была успешно апробирована в рамках проекта создания комплексной системы мониторинга водных объектов Чувашской Республики, включая Чебоксарское водохранилище [4, 5, 8].
Мониторинг водных объектов должен включать в себя мониторинг поверхностных вод (гидрофизический, гидрохимический, гидрологический, гидрометрический, гидрогеологический), донных отложений, подземных вод, особенно гидравлически связанных с контролируемыми поверхностными водами, мониторинг берегов и водоохранной зоны и мониторинг гидробиоты как взаимосвязанных динамически компонентов водного объекта.
Мониторинг территории водосбора, в свою очередь, включает в себя мониторинг природных и антропогенных ее компонентов, способных влиять на экологический статус контролируемого водного объекта.
Применительно к антропогенным компонентам должна использоваться методология паспортизации промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных предприятий-загрязнителей, включая предприятия по очистке промышленных и коммунальных стоков.
Разрабатывается методика формирования регистра химических веществ, используемых или (и) производимых на территории водосбора с оценкой их вероятности (возможно по интегрированным экспертным оценкам) попадания в водную среду, оценкой токсикологической опасности для гидробиоты и для населения, как потребителя питьевых вод.
В настоящее время на территориях действуют организации различных форм собственности, часть которых ведет мониторинг или выборочный апериодический контроль сточных вод, водозаборов, состояния поверхностных и подземных водных ресурсов. Следует отметить также, что на некоторых территориях эффективно действуют общественные организации, осуществляющие мониторинг водных объектов постоянно или при наличии экстремальных экологических ситуаций. Данные об экологическом статусе природных вод получает также ряд исследовательских учреждений РАН, ведомственных НИИ, учебных учреждений.
В настоящее время эти данные не сводятся воедино. Необходимо создание концепции мониторинга водных объектов, комплексного по своей организационной структуре. Ключевым подходом здесь должно стать создание единого информационного поля для всех участников такого информационного, а не административного объединения, формирование единого сайта такого объединения, предоставляющего также оперативные сводки о состоянии контролируемого водного объекта и доступного всем участникам данного информационного сообщества. Должны быть определены научные принципы отбора информации, практические рекомендации об инвентаризации створов, систематизации сроков отбора проб, выборе горизонтов измерения, интеркалибровке измерительных технологий и т. п.
Комплексность мониторинга должна также проявляться в оптимальном сочетании измерительных и информационных технологий. Учет воздействия загрязняющих веществ на живые организмы невозможен без данных гидробиологического мониторинга. Проблема комплексной оценки качества вод по физико-химическим и гидробиологическим показателем должна опираться на выявление корреляционных связей между показателями этих двух групп.
Следует определить научные принципы и методические подходы для того, чтобы при необходимости информационно интегрировать мониторинг водных объектов с той частью социально-гигиенического мониторинга, которая связана с оценкой санитарно-эпидемиологического состояния вод и заболеваниями населения, вызванными негативным воздействием источников питьевого водоснабжения или водами рекреационных зон.
Список литературы
1. Данилов-Данильян В.И. Потребление воды: экологический, экономический, социальный и политический аспекты / В.И. Данилов-Данильян, К.С. Лосев. – М.: Наука, 2006.
2. Баренбойм Г.М. Мониторинг водных объектов / Отв. ред. Г.М. Баренбойм, Е.В. Веницианов. – М.: Изд-во ГЦВМ МПР РФ и ИВП РАН, 1998.
3. Баренбойм Г.М. Научно-технологические проблемы проектирования систем мониторинга водных объектов / Мат-лы 8-го Междунар. конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК-2008. (Электронный ресурс) / Г.М. Баренбойм, Е.В. Веницианов, В.И. Данилов-Данильян. – М.: ЗАО «Фирма СИБИКО Интернешнл». 2008.
4. Баренбойм Г.М., Веницианов Е.В., Данилов-Данильян В.И. Некоторые научно-технологические проблемы проектирования, создания и функционирования систем мониторинга водных объектов. Ч. 1 / Вода: химия и экология. №1. 2008. – С. 3-7
5. Баренбойм Г.М. Некоторые научно-технологические проблемы проектирования, создания и функционирования систем мониторинга водных объектов. Ч. 2//Вода: химия и экология / Г.М. Баренбойм, Е.В. Веницианов, В.И. Данилов-Данильян. - №2. - 2008. – С. 3-10.
6. Никаноров А.М. Научные основы мониторинга качества вод / А.М. Никаноров. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2005.
7. Барсегян А.А. Технологии анализа данных: Data Mining, Visual Mining, Text Mining, OLAR / А.А. Барсегян [и др.]. – СПб.: БХВ-Петербург, 2007.
8. Степановская И.А. Некоторые аспекты развития корпоративных систем экологического мониторинга водных бассейнов России// Управление развитием крупномасштабных систем MLSD’2007. Труды 1-ой межд. конф. (1-3 окт., Москва, Россия) / И.А. Степановская, Г.М. Баренбойм. – М.: ИПУ им. В.А. Трапезникова РАН, 2007. – С. 353-360.
9. Баренбойм Г.М. Использование опыта разработки информационного обеспечения мониторинга в зонах уничтожения запасов химического оружия для создания систем экологического мониторинга окружающей среды / Мат-лы 6 специализир. выставки и конф. «Изделия и технологии двойного назначения. Конверсия ОПК». Москва, 18-21 октября 2005 / Г.М. Баренбойм, И.А. Степановская. – М: Эксподизайн. 2005. – С. 156-158.