Анализ и оптимизация антропогенной нагрузки на окружающую среду

УДК 504.064:004.9

В.А. Рыбак

АНАЛИЗ И ОПТИМИЗАЦИя АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ

на окружающую СРЕДУ

С увеличением промышленного производства и численности населения планеты вопросы рационального природопользования приобретают особую актуальность. Решение задачи ограничения антропогенного воздействия на окружающую среду (ОС) на фоне роста потребления природных ресурсов является общемировой проблемой.

В области охраны окружающей среды эффективные системы информационного управления -редкое исключение, что, на наш взгляд, обусловлено недостаточной проработанностью вопросов, находящихся на стыке экологии, географии, биологии, информатики, экономики и медицины.

В сложных социальных эколого-эконо-мических системах, которыми являются современные урбанизированные территории, эффективные управленческие решения всегда должны основываться на анализе системных связей, учете закономерностей, визуализации и обработке предметной информации.

В рамках проведенных исследований разработана методология управления качеством окружающей среды, состоящая из методик оценки влияния антропогенного воздействия на природную среду урбанизированных территорий, научно-методических принципов создания и использования средств поддержки принятия решений и методики расчета эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий. При этом под качеством ОС подразумевается экологическое состояние основных природных компонентов, оказывающих воздействие на человека, которое может оцениваться количественно и интегрально.

Для количественной оценки антропогенного воздействия на окружающую среду предложено учитывать состояние атмосферного воздуха, почвенного покрова, водных объектов, зеленых насаждений, уровень шума и вибрации, радиационное загрязнение и накопление отходов.

Зонирование урбанизированных территорий по степени загрязнения атмосферного воздуха для последующей интегральной оценки

проводится в среде ГИС на основании анализа распределения значений показателя Р (суммарного загрязнения воздуха комплексом вредных химических веществ). Для автоматизации данного этапа используется специально разработанное программное расширение к GIS ArcView. В соответствии с получаемыми расчетными данными в существующих границах объекта определяются зоны с допустимым, слабым, умеренным, сильным и опасным уровнями загрязнения атмосферного воздуха. Учитывая специфику данного компонента природной среды, следует отметить, что наличие перечисленных зон носит вероятностный характер.

Для построения балльной оценки загрязнения почв рассчитывается вспомогательное поле с использованием формулы

S = i-1 + -

- Z.

где г - номер диапазона изменения суммарного показателя загрязнения почвы X; X , X -

* с' с,г,Ш1П с,г,тах

соответственно верхняя и нижняя границы диапазона значений показателя 2с для г-й градации.

Затем с помощью средств пространственно-статистического анализа определяется среднее значение балльной оценки для ландшафтно-экологического подрайона.

Чтобы в некоторой степени учесть при комплексной оценке другие аспекты загрязнения почвенного покрова, зависимость его последствий от использования и расположения территорий, введен дополнительный балл 5МИ. В результате балльная оценка загрязнения почв выражается как 5" = 0,85(2с) + 5М И, где 5(2) - балльная оценка суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами; 0,8 - весовой коэффициент этой оценки, введенный для сохранения пятибалльной шкалы; 5МИ - введен для учета выполнения на территории ландшафтно-экологических подрайонов ограничений на концентрацию тяжелых металлов, зависящих от местоположения и вида использования территорий и применяемых в зарубежной практике. Пример таких ограничений, рекомендуемых

для использования в Российской Федерации, приведен в СП 11-102-97 (РФ). Значения 5М И определены как отношение количества загрязнителей, по которым превышены ограничения, к общему количеству учитываемых поллютантов.

В качестве исходных данных для оценки экологического состояния поверхностных и подземных вод используются материалы проектов водоохранных зон. К основным факторам, оказывающим наибольшее воздействие на водные ресурсы, относятся: степень защищенности грунтовых вод; зависимость уровня антропогенной нагрузки на подземные воды от функционального использования территории; объем выноса загрязняющих веществ с территории города в поверхностные воды; наличие аномального загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами в водоохранных зонах и зонах с низкой степенью защищенности грунтовых вод; степень концентрации по зонам магистральных линий хозяйственно-бытовой канализации; степень концентрации по зонам объектов хранения нефтепродуктов.

При балльной оценке степени защищенности грунтовых вод от загрязнения используются следующие значения: условно защищенные - 0,5 балла; слабо защищенные - 1,5; незащищенные от загрязнения - 2,5. Для оценки зависимости уровня антропогенной нагрузки на подземные воды от функционального использования территорий используются следующие значения: лесные массивы - 0 баллов; сельскохозяйственные земли - 1; усадебная и дачная застройка - 1,5; животноводческие комплексы - 2. Для прочих видов использования территорий устанавливается оценка 0,5 балла.

Бесспорной является важность зеленых насаждений для повышения качества экологического состояния урбанизированных территорий в результате выполнения водоохранных, почвозащитных и санирующих функций. Основными этапами расчета показателей обеспеченности населения ландшафтно-рекреационными территориями являются: определение местоположения, категории и площади объектов озеленения в структуре городской территории; определение коэффициентов рекреационной значимости объектов; определение численности населения в радиусе доступности к объектам озеленения по регламентируемым критериям доступности; расчет показателя обеспеченности населения ландшафтно-рекреационными территориями общего пользования городского и районного значе-

ния. При этом для итоговой интегральной оценки необходимо также учитывать показатели состояния и характеристики устойчивости насаждений лесного типа к рекреационным и техногенным нагрузкам.

Балльная оценка экологического состояния зеленых насаждений осуществляется по каждой характеристике: для устойчивости - высокой степени соответствует оценка в 1 балл, очень низкой и утраченной - 4 и 5 соответственно; обеспеченность в пределах 0-7,5 м2 на человека оценивается в 3-4 балла, 15-30 м2 - 1-2; хорошей качественной степени характеристики состояния ставится в соответствие оценка на уровне 1-2, напряженному состоянию - 3-4 балла.

Немаловажным фактором, оказывающим неблагоприятное воздействие на природную окружающую среду, является уровень шума и вибрации. В рамках выполненных исследований для областных центров Республики Беларусь проведено измерение уровня шума и вибрации от улично-дорожной сети, магистральных линий железных дорог, электроподстанций, а также вну-триквартального шума в массивах многоквартирной жилой застройки и на территории лечебных учреждений со стационарами. Для определения расчетных уровней шума на всей территории города транспортный поток рассматривается как линейный протяженный источник шума, расположенный вдоль первой полосы движения и непрерывно излучающий звуковые волны. Для построения расчетного поля звукового давления на всей территории города, создаваемого линейными источниками, нами разработан и использован в среде ArcView GIS специальный программный модуль. Для построения поля балльной оценки территории города по уровню шума использовалась кусочно-линейная интерполяция данных

Балльная оценка уровня шума

Диапазон уровней эквивалентного звукового давления, дБА Оценка, балл

менее 45 0-1

45-55 1-2

55-60 2-3

60-70 3-4

70 и более 4-5

электронной карты акустического загрязнения в соответствии с таблицей.

Оценивая следующий немаловажный фактор, формирующий экологическое состояние окружающей среды - радиационное загрязнение, необходимо отметить, что применительно к исследованным объектам учитывалось среднегодовое значение без дифференциации на районы в связи с отсутствием существенных колебаний фона. При этом балльная оценка при мощности дозы гамма излучения <20 мкР/ч (0,2 мкЗв/ч) составляла 1 балл, 20-60 мкР/ч - 2, 60-120 мкР/ч - 3, 120-240 мкР/ч - 4, более 240 - 5 баллов.

При исследовании влияния накоплений отходов на экологическое состояние урбанизированных территорий балльная оценка функционально-ландшафтных зон проводится в соответствии с данными об объемах образования, использования, обезвреживания, хранения и захоронения отходов по данным форм государственной статистической отчетности с учетом класса опасности. При этом учитывается фактическое количество оставшихся на территории отходов на конец отчетного периода.

В общем виде, без описания обратных связей, алгоритм интегральной оценки экологического состояния урбанизированных территорий может быть представлен следующими этапами: функционально-экологическое зонирование территории, балльная оценка состояния отдельных компонентов окружающей среды, интегрированная комплексная оценка. При этом существенное значение имеет процесс взвешивания учитываемых параметров и их учет в итоговой интегральной оценке.

Традиционным способом сведения (свертки) результатов оценки экологического состояния компонентов окружающей среды является вычисление их арифметического среднего. Однако проведенные исследования свидетельствуют о том, что такой подход не способствует ранжированию городских территорий по степени напряженности экологических проблем, а скорее способствует нивелированию различий между отдельными зонами.

Для решения описанной проблемы предлагается комбинированный способ свертки, в результате которого производится усреднение частных оценок по трем доминирующим компонентам окружающей среды, выбор которых для каждой функционально-ландшафтной зоны производит-

ся отдельно. Один из трех доминирующих компонентов выбирается в зависимости от основного вида использования территорий. Для зон с преобладанием многоквартирной жилой и общественной застройки и для промышленных зон в качестве такого основного компонента обязательно учитывается атмосферный воздух, для зон с преобладанием усадебной застройки и для пойменных территорий - почвенный покров, для зон с доминированием зеленых насаждений общего пользования и лесных массивов - растительный покров. В качестве двух других из оставшихся компонентов для усреднения выбираются те, по которым оценка напряженности данной зоны дала наибольшие баллы. Определение доминирующих компонентов при таком подходе позволяет также конкретизировать проблемы, связанные с ухудшением экологического состояния по данной совокупности факторов.

При использовании описанной методики для г. Могилева из 55 функционально-ландшафтных зон, находящихся полностью или большей частью в пределах существующей городской черты, напряженность экологической ситуации в 6 зонах оценена как умеренно опасная, в 40 зонах - как средняя и в 9 - как слабая (см. рисунок) [1].

После выделения зон экологической напряженности необходимо разработать адекватные природоохранные мероприятия, позволяющие улучшить качество окружающей среды. В условиях ограниченности финансовых средств актуальной на данном этапе представляется задача выбора таких мер, эффект от которых будет максимален при минимальных затратах.

Для решения поставленной задачи предлагается использовать генетические алгоритмы (ГА). Отмечая, что ГА позволяют осуществлять поиск оптимальных решений для целого ряда практических задач, также заметим, что широта сферы применения ГА обусловлена, прежде всего, универсальностью, а также способностью одновременно оптимизировать решение задачи по нескольким критериям.

Анализ результатов использования ГА позволяет выделить следующие условия, при выполнении которых задача решается эффективно:

большое пространство поиска, ландшафт которого является негладким (содержит несколько экстремумов);

сложно формализуемая функция степени оценки качества решения;

Интегральная оценка напряженности экологического состояния территории г. Могилева

многокритериальность поиска; поиск по заданным критериям приемлемого, а не единственного оптимального решения [2].

Очевидно, что задача оптимизации качества городской окружающей среды соответствует всем перечисленным условиям и, таким образом, может быть эффективно решена с использованием ГА. Исходными данными при этом являются семь векторов (А .(а а ..., ап), /е[1..7], п < 1000), состоящих из балльных оценок функционально-ландшафтных зон урбанизированной территории, отражающих экологическое состояние атмосфер-

ного воздуха, почвенного покрова, водных ресурсов, лесных насаждений, уровень шума и вибрации, электромагнитных излучений и объемов накопления отходов. При этом стоимость приращения балльной оценки (улучшения качества) для различных показателей существенно отличается. Задача состоит в оптимизации расходов на природоохранные мероприятия, т. е. получении наиболее эффективного плана вложения финансовых средств с максимально возможной отдачей.

Предложенная выше методика позволяет получать сопоставимые балльные оценки для каж-

дого из семи параметров. При этом приращение величины оценки на Да считается одинаково полезным для улучшения качества всех исследуемых сред, но имеет различную стоимость, обусловленную проведением соответствующих природоохранных мероприятий.

Стоимость изменения величин рассчитывается исходя из конкретных природоохранных мероприятий и выражается в рублях. Для некоторых параметров, например, таких, как уровень электромагнитных излучений, она может определяться экспертным путем.

Для решения поставленной задачи воспользуемся модификацией классического ГА - генетическим микроалгоритмом [3]. Он подразделяется на шесть шагов:

1. Сформировать популяцию с числом особей, равным семи. Можно либо случайным образом выбрать все семь хромосом, либо сохранить одну «хорошую» хромосому, полученную на предыдущих итерациях, и случайным образом «добрать» шесть остальных хромосом.

2. Рассчитать значение функции приспособленности хромосом в популяции и выбрать лучшую хромосому. Обозначить ее номером 7 и перенести в следующее поколение (элитарная стратегия).

3. Выбрать для репродукции остальные шесть хромосом на основе детерминированного метода турнирной селекции (наилучшая хромосома также участвует в соревновании за право включения ее копии в родительский пул). В ходе турнирной селекции хромосомы группируются случайным образом, при этом соседствующие пары соперничают за оставшиеся шесть мест. Следует обращать внимание на то, чтобы родительская пара не составлялась из двух копий одной и той же хромосомы.

4. Выполнить скрещивание с вероятностью 1, вероятность мутации принять равной нулю.

5. Проверить сходимость алгоритма (с использованием соответствующей меры сходимости генотипов или фенотипов). В случае обнаружения сходимости вернуться к шагу 1.

6. Перейти к шагу 2.

Заметим, что в генетическом микроалгоритме размер популяции предполагается небольшим и фиксированным. Применяется элитарная стратегия, которая предотвращает потерю «хороших» хромосом. Поскольку размер популяции невелик, то выполняется детерминированная селек-

ция. Скрещивание проводится с вероятностью 1. Мутация не требуется, т. к. достаточное разнообразие обеспечивается формированием новой популяции при каждом «рестарте» алгоритма, т. е. в случае перехода к шагу 1 при обнаружении сходимости. Процедура «старта» и «рестарта» алгоритма предназначена для предотвращения преждевременной сходимости, генетический микроалгоритм всегда ищет наилучшее решение. Главная цель его применения заключается в скорейшем нахождении оптимального (или почти оптимального) решения.

Следует подчеркнуть, что при выполнении генетического микроалгоритма разнообразие в популяции достигается благодаря процедуре рестарта алгоритма в случае обнаружения его сходимости. В этом случае мутация оказывается излишней.

При решении задач оптимизации качества ОС урбанизированных территорий с учетом предложенной методики количественной оценки антропогенного воздействия ширина поиска может находиться в пределах от 2 100 до 12 600 (при количестве зон 50-300, 5-балльной оценке каждого из семи компонентов и данных о стоимости улучшения состояния каждого компонента на 1 балл). При этом максимальная эффективность применения ГА составит 9,62 раз. В случае использования дробных балльных оценок, например чисел с одной значимой цифрой после запятой, ширина поиска увеличивается в 10 раз, а эффективность достигает значения 41,8.

Для проведения оценки эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий оправданным видится применение антропоцентрического подхода. Величина затрат в данном случае оценивается с учетом стоимости осуществления предлагаемых мер. С учетом приоритетности вклада загрязнения атмосферного воздуха в увеличение уровня заболеваемости детского населения (60-70 %), нами рассчитано уравнение линейной регрессии (у = 343,1х - 31,8), отражающее связь между индексом загрязнения атмосферы (ИЗА) и уровнем детской заболеваемости (всего на тысячу человек) [4].

После реализации системы мероприятий, направленных на снижение выбросов в атмосферный воздух исследуемого города, изменение значения показателя ИЗА на единицу может повлечь за собой снижение уровня детской заболеваемости на 311,3 случая на тысячу человек. Оценка ре-

зультата Я (социальной выгоды) в данном случае представляет научный и практический интерес.

Укрупненная оценка результата Я может осуществляться по следующей формуле:

Я = Я + Я + Я + Я ,

с.с.в с.с.д з.л.в з.л.д'

где Яссв, Яссд — эффекты от сокращения выплат по больничным листам из-за загрязнения ОС для взрослых по причине собственной нетрудоспособности и уходом за детьми соответственно; Я , Я - эффекты от сокращения затрат на ле-

з.л.в' з.л.д ^^ г г

чение взрослых и детей в результате улучшения качества среды обитания.

С использованием данных официальной статистики проведена эмпирическая оценка слагаемых формулы (2):

Я = к + спс.Ак + сК сК I

1 вз 2 3 1 ств 2 стд ' V /

где с1 - коэффициент, отражающий влияние факторов среды на здоровье взрослого населения; N - суммарная продолжительность нетрудоспособности согласно больничным листам в год (дней); к - величина средней заработной платы за один день, руб.; с2 - величина снижения уровня детской заболеваемости в результате природоохранных мероприятий, случаи на тысячу человек; п - количество детей на исследуемой территории, тыс. чел.; с3 - коэффициент, отражающий соотношение количества детей, для ухода за которыми при их заболевании взрослым выдается больничный отпуск к общему числу случаев детской заболеваемости; ё - средняя продолжительность заболеваемости детей, дни; N - объем оказания медицинской помощи взрослым в стационарах, койко-дней;/ - средняя стоимость одного дня стационарного лечения, руб./день; #стд — объем оказания медицинской помощи детям в стационарах, койко-дней на 1000 человек.

С учетом (2) и (3) для оценки экономической эффективности природоохранных мероприятий Эз предлагается следующая формула:

¡=1

К^Ы^к + с2пс3

т '

где Эсоц - социальный эффект, полученный при реализации т природоохранных мероприятий, каждое из которых потребовало осуществление

затрат З. и стало причиной изменения значения комплексной оценки с К на К2, где К1 и К2 - значения комплексной оценки до и после реализации природоохранных мероприятий соответственно.

В формуле (4) социальный эффект и сумма затрат рассчитываются в рублях, а результат представляет собой оценку эффективности для выбора оптимальных природоохранных мероприятий. При величине Эз менее либо равной единице предлагаемые мероприятия определяются как неэффективные, если значение Эз лежит в диапазоне от 1,1 до 1,2 - мероприятия низкоэффективные, (1,21-1,5) - эффективные, более 1,5 - высокоэффективные.

С учетом фактора времени формула (4) для определения экономической эффективности приобретает вид (5):

Э =

\К2

т ^

1^(1 + Г)'

«а+гу

где Э - экономическая эффективность с учетом фактора времени; ? - время реализации природоохранного проекта; Эсоц_( - социальный эффект ?-го года; З( - затраты ?-го года; г - коэффициент дисконтирования.

Следует отметить, что использование разработанных формул должно базироваться на актуальных и достоверных данных, отражающих как экологическое состояние исследуемых территорий, так и показатели здоровья населения. Сравнение экономической эффективности альтернативных природоохранных проектов, имеющих различные сроки реализации, должно проводиться по формуле (5). При этом в качестве степенного показателя для приращения комплексной оценки может также использоваться нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений природоохранного назначения Ен или ставка рефинансирования.

Предложенные методы расчета эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий на момент создания не имели аналогов в странах СНГ и ближнем зарубежье. Российскими учеными (Ю.А. Рахманиным и др. [5]) предложен частично схожий метод оценки ущерба от дополнительных случаев заболеваемости населения. Однако он базируется на трудно формализуемом популяционном риске и не всегда оправданных усреднениях объемов недополученной продукции.

Таким образом, предложенный алгоритм управления качеством окружающей среды, состоящий из методик оценки влияния антропогенного воздействия на природную среду урбанизированных территорий, научно-методических принципов создания и использования средств поддержки принятия решений и методики расчета эколого-экономической эффективности природоохранных мероприятий, основанных на анализе системных

связей, закономерностях функционирования сложных эколого-экономических систем, отличающихся интегральностью, составом учитываемых показателей, методами их расчета и свертки, обоснованным применением генетических алгоритмов, учетом социального эффекта, позволяет детерминировать зоны повышенной экологической напряженности и осуществлять решение природоохранных оптимизационных задач в 2-9 раз быстрее.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рыбак, В.А. Антропогенная нагрузка на окружающую среду: количественная оценка, анализ, нормирование: Монография [Текст] / В.А. Рыбак. -Минск: РИВШ, 2010. -334 с.

2. Куприянов, М.С. Генетические алгоритмы и их реализация в системах реального времени [Текст] / М.С. Куприянов, Н.И. Матвиенко // Информационные технологии. -2001. -№ 1. -С. 17-21.

3. Рутковская, Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы [Текст] / Д. Рутковская,

М. Пилиньский, Л. Рутковский; Пер. с польск. -М.: Горячая линия - Телеком, 2006. -452 с.

4. Рыбак, В.А. Влияние загрязнения окружающей среды на здоровье населения [Текст] / В.А. Рыбак. -Минск: РИВШ, 2008. -368 с.

5. Рахманин, Ю.А. Научно-методические и экономические аспекты решения региональных проблем в области медицины окружающей среды [Текст] / Ю.А.Рахманин [и др.] // Санитария и гигиена. -2005. -№ 6. -С. 6-9.

УДК:004.9:[656.625.078.89.004.12:658.012]

А.А. Ханова

концептуальная структура системы управления предприятием на основе интегрированных моделей

Важная задача повышения эффективности и конкурентоспособности предприятия - определение долгосрочных стратегических целей деятельности и построение системы управления, обеспечивающей полное согласование стратегических целей и текущих задач, решаемых подразделениями на всех уровнях управления [1].

Анализ существующей системы управления по стратегическим целям предполагает решение задач на нескольких уровнях: разработку стратегии; сбалансированной системы показателей (ССП); системы функционально-стоимостного управления; разработку системы бюджетирования (рис. 1). Цикл управления (0), включающий последовательно блоки 1 ^2 ^3 ^4 ^5 ^6 ^ 7^8, соединенные белыми стрелками, предполагает «движение» информации сверху вниз и снизу вверх [2] и позволяет осуществлять мониторинг состояния предприятия (грузового порта) с учетом

внедрения всех мероприятий, включающих блоки 2-4, исполнения этих мероприятий в блоке 5 и анализ уже полученных на практике результатов в блоках 6-8. Однако такой подход не позволяет оценить возможности и угрозы выбранной стратегии заранее (до ее реализации), сгенерировать вариант ССП в зависимости от стратегии, оценить степень влияния различных факторов на функционирование грузового порта (ГП) при реализации той или иной стратегии, выявить взаи-мовлияющие показатели и сформировать управленческие решения. В связи с этим актуальна задача совершенствования структуры управления предприятием на основе мультиаспектных интегрированных моделей предметной области.

Двойной цикл управления грузовым портом

Для устранения этой проблемы предлагается модифицировать представленный цикл управле-