Когнитивное моделирование химического загрязнения городской среды обитания в нединамических условиях

ЭКОЛОГИЯ

УДК 330.4; 502; 504; 574

КОГНИТИВНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ОБИТАНИЯ В НЕДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

© 2008 г. И.А. Ильченко

Cognitive model for the mechanism of local chemical pollution of urban ecological system (on example Taganrog) has been elaborated. Cognitive model-based analysis of the influence of air pollution level and vegetation state on unbiological parts studying system and health of city-dwellers has been carried out. The management methods of urban ecological systems state parameters have been developed in order to improve the health of the city-dwellers.

Состояние городской среды обитания является одним из важнейших параметров, оказывающих непосредственное и опосредованное влияние на здоровье городского населения [1-2], а через него и на процессы в обществе, поскольку доля горожан составляет около 70 % населения нашей страны. Использование когнитивных технологий, опирающихся на взвешенные графы, позволяет исследовать не только прямые, но и обратные связи, присутствующие в любой сложной системе, благодаря чему становится возможным получение более достоверных результатов моделирования, в том числе касающихся анализа и прогноза важнейших характеристик городской экосистемы [3-6]. Наибольший вклад в загрязнение города вносят химические загрязнители, в связи с чем изучение этого вида загрязнения путем построения когнитивной модели и проведения сценарного моделирования представляет теоретический и практический интерес.

Для изучения взаимодействия компонентов городской экосистемы в условиях антропогенного химического загрязнения была разработана когнитивная модель, опирающаяся на среднемноголетние данные экологического и социально-гигиенического мониторинга г. Таганрога и отражающая пути миграции химических загрязнителей в городской экосистеме (рис. 1, таблица).

1,3аг(й1знйниё'арздуха

...........

уЗ.Состояние растительности \ \

Загрязнение почв " ~~ —С^

Загрязнение грунтовых вод

Рис. 1. Когнитивная модель «Механизм локального ческого загрязнения компонентов урбоэкосистемы в намических условиях»

Построение модели и последующее ситуационное моделирование было проведено с помощью вычислительных программ ПС КМ [5, 6], а в качестве контро-

лируемых параметров были выбраны главные показатели состояния городской среды обитания - загрязнение воздуха, загрязнение почв, состояние растительности и здоровье населения.

Весовые коэффициенты дуг когнитивной модели

Вершина дуги Весовой коэффициент

у1.Загрязнение воздуха у2. Здоровье населения - 0,4

у1.Загрязнение воздуха уЗ.Состояние растительности - 0,4

у3.Состояние растительности у1 .Загрязнение воздуха - 0,2

у1.Загрязнение воздуха у4. Загрязнение почв 0,7

у4. Загрязнение почв уЗ.Состояние растительности - 0,3

у4. Загрязнение почв у5. Загрязнение грунтовых вод 0,5

у5. Загрязнение грунтовых вод у6. Загрязнение подземных вод 0,5

у6. Загрязнение подземных вод у2. Здоровье населения - 0,3

у4. Загрязнение почв у1 .Загрязнение воздуха 0,2

уЗ.Состояние растительности у4. Загрязнение почв -0,1

уЗ.Состояние растительности у2. Здоровье населения -0,1

Анализ когнитивной модели и результатов моделирования показывает, что в городской экосистеме имеются два аккумулятора загрязнителей - воздушный бассейн (подвижная среда) и почва (неподвижная среда), выступающих соответственно в качестве обменного и резервного фондов миграции загрязнителей. В городской экосистеме отмечается сильное взаимодействие между входящими в ее состав подсистемами и их компонентами, что особенно отчетливо проявляется в условиях антропогенного загрязнения и выражается в миграции первичных и образовании вторичных загрязнителей [7]. Так, атмосферные загрязнители (вершина v1), поступающие от стационарных и подвижных источников, вызывают загрязнение почвы и ухудшение состояния растительности и непосредственно влияют

на здоровье городского населения. Цикл у1-уЗ-у1 характеризует взаимодействие растительности и загрязненного воздуха, что отражается и на химическом составе атмосферного воздуха, и на состоянии зеленых насаждений. Контур у4-уЗ-у1-у4 отражает взаимодействие аэро-, гео- и биосистем (роль последней представлена функциями ее растительной составляющей) при поддержании естественных параметров среды. Кроме того, использование подземных водоисточников для хозяйственно-питьевого водоснабжения (в частности, для удовлетворения потребности населения в питьевой воде) объясняет целесообразность их включения в данную схему и показывает опосредованное влияние загрязнения воздуха на здоровье людей. Анализ когнитивной карты позволяет сделать вывод о том, что некоторые поллютанты воздушной среды могут не только мигрировать по маршруту у1-у4-у5-у6-у2, но и инициировать образование вторичных загрязнителей в почве и их последующую миграцию по данному маршруту и, следовательно, дополнительное негативное влияние на здоровье горожан [1]. С другой стороны, взаимодействие аэро-, гео- и биосистем приводит к поступлению загрязнителей из почв в атмосферный воздух, обусловливает влияние состояния растительности на загрязнение почв, включая миграцию загрязнителей с отмершими частями растений в почву, а также влияние растительности на здоровье населения. Действительно, биокосная природа почв предопределяет их особую роль в городских экосистемах: во-первых, они являются субстратом для произрастания зеленых насаждений, и более 30 % городских почв используется для выращивания продуктов питания, во-вторых, они способны накапливать ксенобиотики, удерживать их в течение длительного времени в виде сорбционных комплексов и тем самым препятствовать их проникновению в почвенно-грунтовые воды; в-третьих, химическое загрязнение почв наряду с воздействием других антропогенных процессов приводит к сокращению биоразнообразия почвенной микрофлоры, изменению рН и структуры почвы, вследствие чего значительное количество пыли, а вместе с ней и почвенные загрязнители поступают в атмосферный воздух. Загрязнение почв тяжелыми металлами, осаждающимися из воздуха, приводит к потере ими продуктивности и способности к самоочищению, а также к снижению и утрате экологических функций почвенного покрова [1, 2]. В когнитивной карте не показаны источники загрязнения городской экосистемы, так как предполагается, что все они обусловливают фоновые уровни загрязнения ее компонентов, принятые в качестве исходных. 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 установления предельно допустимых уровней загрязнения и предельно допустимых концентраций пол-лютантов.

В когнитивной карте (рис. 1) присутствуют четыре цикла с положительной обратной связью (у3^у1^у3,

у4^у1^у4, у4^у3^у4, у4^у1^у3^у4), что свидетельствует в пользу структурной неустойчивости системы. Однако расчет собственных чисел матрицы отношений показал, что всего таких чисел 6, из них максимальное по модулю составляет 0,52, что позволяет ожидать проявления системой определенной устойчивости [8].

В сценарии 1 активизировалась вершина у1 «Загрязнение воздуха» путем внесения импульсов разной величины и кратности. В процессе 1 (рис. 2) на первом такте в вершину у1 вносится импульс q1=+ 0,1, и уже со второго такта начинают увеличиваться загрязнение почв, ухудшаться состояние растительности и здоровье населения.

0,132 0,104 0,077 0,049 0,021 -0,007 -0,035 -0,063

01 2 3*561^9 10 ].1

- загрязнение воздуха;

.....здоровье населения;

-.-.-. состояние растительности; загрязнение почв

Рис. 2. Внесение импульса q1 =+0,1 в вершину VI

Далее характер изменения этих параметров сохраняется, но темпы изменений постепенно замедляются, и к шестому-седьмому тактам наблюдается стабилизация этих показателей. Во втором процессе этого сценария импульс величиной q1=+ 0,1 вносился последовательно с первого по десятый такты процесса, что приводило к непрерывному росту уровней загрязнения воздуха и почвы и снижению величин таких параметров, как состояние растительности и здоровье населения. Однако после прекращения возмущающего воздействия на систему изменение её контролируемых характеристик замедлялось, и к тринадцато-му-четырнадцатому тактам наблюдалась их стабилизация на уровнях, в десять раз больших по сравнению с первым процессом. В обоих процессах стабилизация уровня загрязнения воздуха происходит при величине амплитуды, превышающей на 32 % общую величину внесенного импульса вследствие усиления внешнего возмущения одновременно тремя сопряженными циклами с положительной обратной связью (v3^v1^v3, v4^v1^v4 и v4^v3^v1^v4). Так, загрязнение воздуха ухудшает состояние растительности и тем самым уменьшает её способность поглощать загрязнители из воздушной среды, загрязнение почв ксенобиотиками из воздуха изменяет её структуру, состав, физико-химические и другие свойства, и она перестает быть только объектом загрязнения и становится источником загрязнения воздушной среды. Почвенные загрязнители, проникая в организмы растений, понижают их толерантность по отношению к другим экологическим факторам, в том числе и к атмосферным загрязнителям, поэтому состояние растительности дополнительно ухудшается, и её поглотительная спо-

собность по отношению к атмосферным поллютантам также уменьшается [1]. Таким образом, загрязнение воздуха оказывает не только прямое влияние на здоровье населения и состояния растительности и почв и опосредованное влияние на здоровье населения, но и косвенно воздействует на само себя через загрязнение почв и ухудшение состояния растительности по принципу положительной обратной связи. Взаимодействие компонентов урбоэкосистемы в случае химического загрязнения осуществляется между подсистемами воздух-почва, почва-растительность и растительность-воздух по принципу положительной обратной связи и проявляется как в миграции первичных компонентов, так и в образовании и миграции вторичных поллютантов [1, 2, 8].

В сценарии 2 изучалась роль растительности в поддержании качества городской среды обитания. Одновременная подача импульсов величиной +0,1 в вершины VI и у3 (рис. 3) несколько изменяет поведение контролируемых параметров по сравнению с первым процессом предыдущего сценария, вызывая их колебания со второго по четвертый такты и стабилизацию к пятому-шестому тактам на менее высоких значениях. Такое поведение показателей экосистемы свидетельствует о положительном влиянии мероприятий по озеленению на ее состояние.

Стабилизация остальных изучаемых показателей происходит на тех же уровнях, что и в предыдущем случае (см. рис. 3).

вия недоброкачественной питьевой воды на здоровье населения.

0,103 0.089 0,075 0,061 0,048 0,034 0,020 0,006 -0,008 -0,21

]П ::

— загрязнение воздуха; .... здоровье населения;

— .-. состояние растительности;

— загрязнение почв

Рис. 4. Внесение импульсов q1=+0,1, q3=+0Д, q6 =-0,1 в вершины V! v3, v6

Комплексный подход к улучшению городской среды обитания (сценарий 4) сочетает меры по защите атмосферного воздуха от загрязнения стационарными и подвижными источниками ^=-0,1), по озеленению территории ^3=+0,1) и очистке воды из подземных водоисточников ^6=-0,1) и является наиболее эффективным, поскольку дает возможность снизить исходные уровни загрязнения воздуха и почв и улучшить состояние растительности и здоровье горожан (рис. 5).

0,178 0,121 0,065 0,008 -0,049 -0,105 -0,162

н S ЦП Д1

и 11

загрязнение воздуха;

.... здоровье населения;

- .-. состояние растительности;

— загрязнение почв

Рис. 3. Внесение импульсов q1=+0,1 в вершину V! и q3=+0,1 в вершину v3

Анализ результатов моделирования сценариев 1 и 2 показывает, что использование подземных водоисточников, расположенных на территории города, в качестве источников питьевого водоснабжения представляет серьезную угрозу здоровью горожан и подтверждается среднемноголетними данными социально-гигиенического и экологического мониторинга окружающей среды г. Таганрога [9]. Поэтому в сценарии 3 была изучена эффективность введения дополнительной процедуры очистки воды из подземных водоисточников перед её подачей в городскую водопроводную сеть ^6=-0,1) при сохранении тенденций загрязнения воздуха и проведении озеленения городской территории ^=+0,1; q3=+0,1). Результаты моделирования (рис. 4) демонстрируют уменьшение отрицательного воздейст-

загрязнение воздуха;

.... здоровье населения;

- .-. состояние растительности;

— загрязнение почв

Рис. 5. Внесение импульсов q1 =-0,1, q3=+0,1, q6=—0,1 в вершины v1, v3, v6

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и рекомендации. Во-первых, разработка когнитивной модели химического загрязнения городской экосистемы и последующее моделирование различных сценариев изучаемых воздействий позволяют 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. Так, следует ужесточить существующие нормативы ПДК и ПДУ для воздуха населенных пунктов. 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. [2]. Поэтому поддержание сложной организации, особой внутренней структуры и приемлемых для жизнедеятельности горожан условий окружающей среды требует затраты больших количеств энергии и организационных усилий на всех уровнях управления. В-третьих, 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 и по озеленению (в частности, фитомелиорации, включающей как подбор оптимального для данной климатической зоны видового состава древесных и кустарниковых насаждений, газонов и цветников, так и схем их посадки с учетом характера городской застройки и уровня загрязнения воздуха и почв отдельных районов), а также предва-

рительной очистке вод из подземных водоисточников

перед подачей их в городскую водопроводную сеть.

Литература

1. Ильченко И.А. Управление качеством окружающей среды при химическом загрязнении. Таганрог, 2004.

2. ВладимировВ.В. Урбоэкология. М., 1999.

3. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в биосфере. М., 2003.

4. Качаев С.В. и др. // Новая парадигма развития России (комплексные исследования проблем устойчивого развития) / Под ред. В.А. Коптюга, В.М. Матросова, В.К. Левашова. М., 1999.

5. Пьявченко О.Н. и др. Методы и алгоритмы развития сложных ситуаций. Таганрог, 2003.

6. Кульба В.В. и др. Сценарный анализ динамики поведения социально-экономических систем. М., 2002.

7. Ильченко И.А. // Вестн. Таганрогского института управления и экономики. 2005. № 1. С. 50-53.

8. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность, катастрофы. М., 1982.

9. Егорова И.П. Среда обитания и здоровье населения г. Таганрога. Таганрог, 1995.

Таганрогский институт управления и экономики_15 ноября 2007 г.