Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоэкологическая оценка и прогнозирование опасных природно-техногенных процессов на водосборе реки

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Геоэкологическая оценка и прогнозирование опасных природно-техногенных процессов на водосборе реки"

На правах рукописи

Нафикова Эльвира Валериковна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ВОДОСБОРЕ РЕКИ (на примере р. Белая Республики Башкортостан)

25.00.36. - Геоэкология (науки о Земле)

1 7 ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Воронеж 2013

005535022

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Научпый руководитель: доктор технических паук, профессор

Красногорская Наталия Николаевна

Официальные оппоненты: Корпилов Андрей Геннадьевич

доктор географических наук, профессор; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», заведующий кафедрой географии и геоэкологии

Дегтярев Сергей Дмитриевич

кандидат географических наук, доцент; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет», доцент кафедры природопользования

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Башкирский государственный университет»

Защита состоится «11» октября 2013 г. в 13-30 на заседании диссертационного совета Д 212.038.17 при Воронежском государственном университете по адресу: 394068 г. Воронеж, ул. Хользунова, 40, ауд. 303.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « » сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор географических паук, профессор

Куролап С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Состоянием водных ресурсов человечество озабочено начиная с XX века. Не случайно 1980-1990гг. названы международным десятилетием воды. Гидрометеорологические наблюдения свидетельствуют о том, что водные ресурсы весьма уязвимы и подвергаются постоянному истощению, которое влечет значительные последствия, как для человеческого общества, так и для экосистем.

Опасные природно-техногенные процессы на водотоках (малая и повышенная водность, загрязнение водотока) по повторяемости и охвату территории занимают первое место среди всех опасных процессов и приводят к значительным последствиям, как для общества, так и для экосистем.

Как показывает мировой опыт, затраты на прогнозирование, оценку рисков и обеспечение готовности к событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по сравнению с затратами на предотвращение ущерба.

Для разработки научно-методических основ прогнозирования опасных природно-техногенных процессов необходимо исследование состояния идентификации геоэкологически опасных явлений водосбора реки, выявления причин их возникновения, анализ существующих методов прогнозирования и оценки риска их возникновения.

Теоретические подходы к изучению данной проблемы обоснованы во многих трудах отечественных и зарубежных ученых по геоэкологии, мониторингу окружающей среды (Данилов-ДанильянаВ. И.; Марчука Г.И., 1967; Бе-фани Н.Ф., Калинина Г.П., Алполова Б.А., Комарова В.Д, 1975; Шикяомано-ваИ.А., 1976; АвакянаА.Б., 2001; Русина И.Н., 2003; Георгиевского Ю. М., Шаночкина C.B., 2007; Алексеевского Н.И., 2011 и др.). В условиях изменения климата все большую популярность приобретают исследования, описывающие влияние глобальных космических процессов на формирование режима водных объектов и факторов, определяющих водный режим (Чижевский A. JL, 1969; Казанцев Ю. В., 2001; Сидоренков Н. В., 2002; Соловьева H. Н., 2004; Абдулса-матов X. И., 2007; Леонов Е. А., 2010 и др.).

Результаты исследований моделирования опасных природно-техногенных процессов на водосборах рек описаны в работах Dandy G. С., 1996; Abbott J., 1999; Zhang Q., Stanley S. J., 2000; Клиге P. K., 2006; Фрумина Г.Т. 2008, Дмитриева B.B., 1995; Thirumalaiah, К., 2009; Helms M., 2011; Кучмента Л.С., Гель-фана А.Н., 2011 и др. Оценки риска возникновения опасных природно-техногенных процессов на водотоке приведены в работах: Будыко М.И., 1977; Кондратьева К.Я., 1990; Истоминой М. И., 2004; ГерцманаБ. И, 2005; Байчоро-ваВ. М., 2006; Ясинского С. В., 2007; Голубева Г.Н., 2006; Карлина С.А., 2008;

Shaw Rajib. 2009; и др.

Обеспечение рационального водопользования предполагает выполнение экологической оценки существующего состояния водотоков с учетом загрязнения и истощения водных ресурсов, а также геоэкологического прогноза. В связи с этим геоэкологическая оценка и прогнозирование риска возникновения опасных природно-техногенных процессов на водотоке является весьма актуальным.

Работа выполнена по тематике, входящей в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденной Президентом РФ 21 мая 2006г. №Пр-842, включающее в себя технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф и в соответствии с планом фундаментальных научно-исследовательских работ Уфимского государственного авиационного технического университета «Развитие теоретических основ и моделей мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений» (ЭФ-БП-20-10-03), и «Развитие наукоемких технологий мониторинга, охрана и прогнозирование состояния атмосферы и гадросферы в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений и чрезвычайных ситуаций» (ЭФ-БП-20-12-03).

Цель настоящей работы является разработка методики геоэкологической оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных процессов на водосборе реки.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- исследованы многолетние и сезонные изменчивости гидрологических и гидрохимических параметров для выявления закономерностей геоэкологических процессов на водосборе реки;

- исследовано влияние астрономических процессов на прохождение гео-экологически опасных явлений на водотоке, вызванных пониженной или повышенной водностью;

- разработаны модели интегрированной оценки параметров качества воды и водности для прогноза опасных природно-техногенных процессов на примере р. Белая Республики Башкортостан;

- разработаны модели восстановления исходных данных геоэкологических процессов в каждый период водности реки и выполнена их апробация при восстановлении пропущенных гидрологических, метеорологических, гидрохимических данных;

- проведена оценка риска количественного и качественного истощения водных ресурсов р. Белая.

Для апробации разработанных моделей прогнозирования и методик оценки опасных природно-техногенных процессов на водотоке в качестве объею-а исследования выбрана р. Белая — крупнейшая водная артерия Республики Башкортостан, приток р. Волги 2-го порядка.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен способ прогноза температуры на изобарической поверхности AT- 850 гПа для совершенствования геоэкологического прогноза развития опасных природно-техногенных процессов на водосборе и исключения антропогенного влияния при исследовании влияния приливных процессов Солнца и Луны на температуру приземного слоя атмосферы (патент на изобретение РФ № 2461028 от 10.09.2012).

2. Проведена диагностика входных параметров, в т.ч. астрономических, модели прогноза геоэкологических процессов на водосборе р. Белая.

3. Разработана методика применения элементов искусственного интеллекта (искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов) для про-

гноза геоэкологически опасных явлений, вызванных повышенной и/или пониженной водностью и загрязняющими веществами.

4. Выполнена оценка геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов.

5. Разработана система мероприятий по снижению негативных последствий опасных природно-техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью реки.

Практическая ценность:

1. Для рационального водопользования разработаны модели прогноза опасных природно-техногенных процессов водосбора, позволяющие в условиях изменяющегося климата и антропогенной нагрузки осуществлять оперативный и долговременный достоверный прогноз.

2. Разработаны модели, позволяющие восстанавливать пропущенные гидрометеорологические, гидрохимические и астрономические данные.

3. Разработанные методы прогноза гидрологических, гидрохимических и метеорологических показателей, программные продукты расчета (№2009611616, №2010612194, №2011614208) апробированы и используются в Башкирском территориальном управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (БашУГМС) (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 1-18-1742 от 13.05.2013 г.).

4. Результаты проведенных исследований использованы при разработке комплексной программы социально-экономического развития городского округа город Уфа Республики Башкортостан на 2011-2015 гг. (пункт 4.1.7 — Окружающая среда) и рекомендованы резолюцией конференции в рамках международного форума «Чистая вода— 2010» (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 01/04124 от 16.05.2013 г.).

5. Методы исследования и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются при подготовке бакалавров и магистров по направлению 280700 «Техносферная безопасность» и инженеров по направлению 280100 «Безопасность жизнедеятельности» по специальностям 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях» (акт о внедрении результатов диссертационной работы от 13.05.2013 г.).

Достоверность результатов исследований обеспечена использованием большого объема репрезентативных данных, отобранных в соответствии с действующими государственными и отраслевыми стандартами, критическим анализом большого количества литературных источников и применением современных методов математико-статистической обработки данных, обстоятельной аргументацией принятых допущений и ограничений при разработке методик геоэкологического прогноза опасных природно-техногенных процессов на водосборе и оценке геоэкологического риска истощения и загрязнения водных ресурсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 международных, 8 всероссийских и 7 региональных научных конференциях, симпозиумах и семинарах, среди которых: международная конференция «Экологические и гидрометеорологические

проблемы больших городов и промышленных зон, Экогидромет 2012» (Санкт-Петербург, 2012); международная научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем». - Уфа 20082011; международная паучная конференция «Сахаровские чтения: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2009-2010); международная научно-практическая конференция «Чистая вода - 2009» (Кемерово, 2009); межрегиональный практический семинар: «Актуальные проблемы охраны поверхностных вод» (Уфа, 2012); российско-немецкий семинар "Aktuelle wissenschaftliche und methodische Leistungen im Bereich Wasserressourcenmanagement" (Уфа, 2009); VII mezinarodni vedecko - prakticka conference «Dny vedy - 2012» (Прага, 2012);V международная научно-практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (Челябинск, 2012); международный научно-практический семинар «Karlsruher Flussgebietstage 2011» (Карлсруэ,

2011); всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); IV, VII всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике» (Уфа 2009,

2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в т. ч. 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение РФ (№2461028 от 10.09.2012), 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ прогноза температуры па изобарической поверхности AT 850 гПа (патент на изобретение РФ № 2461028 от 10.09.2012)

2. Результаты диагностики входных параметров, в т.ч. астрономических, модели прогноза опасных природно-техногенных процессов на водосборе р. Белая.

3. Методика применения элементов искусственного интеллекта (искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов) для прогноза:

- краткосрочного (с заблаговременностью 1-3 дня) опасных природно-техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью с оправдываемостью до 95%;

- среднесрочного (с заблаговременностью 1-2 месяца) опасных природно-техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью с оправдываемостью до 79%;

- долгосрочного (с заблаговременностью 1-3 дня) опасных природно-техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью с оправдываемостью до 76%;

- концентрации гидрохимических показателей водотока для прогноза опасных природно-техногенных процессов, вызванных загрязняющими веществами.

4. Результаты оценки геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов.

5. Рекомендации по системе мероприятий снижения негативных последствий опасных природно-техногенных процессов на водосборе, вызванных повышенной и/или пониженной водностью реки.

Структура и объём работы. Диссертация изложена па 191 страницах

машинописного текста, а также 43 страницах приложения и состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического указателя, включающего 267 источника, в том числе 106 источников иностранной литературы. Диссертация в основном тексте иллюстрирована 26 таблицами и 68 рисунками.

Автор выражает искреннюю благодарность за методическую помощь в сборе и обработке фактического материала при выполнении работы начальнику Башкирского территориального управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Ю.И. Ферапонтову.

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель работы, определены задачи исследования, научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние проблемы оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных процессов на водотоке» выполнен анализ современного состояния проблемы оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных процессов на водосборе.

Во второй главе «Характеристика объекта исследования и исходных данных. Методы исследования» приведена характеристика объекта исследования, исходных данных и используемых в работе методов. В работе в качестве исходных данных обработано около 150 ООО числовых значений гидрологических и метеорологических показателей.

В третьей главе «Исследование закономерностей прохождения геоэкологических процессов на водотоке» рассматриваются закономерности прохождения геоэкологических процессов на водотоке.

Для оценки закономерностей возникновения опасных природно-техногенных процессов на р. Белая сформирована база данных гидрологических и гидрохимических характеристик, приуроченных к исследуемым пунктам наблюдения, определены статистическая однородность и распределение исследуемых гидрологических и гидрохимических данных, исследована внутригодовая и межгодовая динамика расходов воды. Выполнена комплексная оценка качества водотока, определены приоритетные загрязнители р. Белая.

В четвертой главе «Исследование влияния астрономических процессов на прохождение опасных природно-техногенных процессов на водотоке» оценивалось влияние астрономических параметров на прохождение геоэкологиче-сьси процессов на водотоке. Для исследования этого влияния на гидрологические характеристики водотока и метеорологические параметры на водосборе сформирована база данных показателей природных процессов, оказывающих прямое или косвенное воздействие на речной сток; произведен расчет необходимых астрономических показателей природных процессов; исследованы межгодовые и внутригодовые временные колебания астрономических показателей в сопоставлении с изменениями метеорологических и гидрологических параметров.

Пятая глава «Прогнозирование опасных природно-техногенных процессов на водотоке с помощью элементов искусственного интеллекта (на примере р. Белая)» посвящена разработке методов прогнозирования: периодов малой и высокой водности, дат их наступления, ассимилирующей способности водо-

тока и совершенствованию методики оценки геоэкологического риска загрязнения и истощения водных ресурсов на примере р. Белая.

В заключении обобщены результаты исследования и сформулированы основные теоретические закономерности, а также прикладные аспекты исследования.

Этапы разработки методики оценки и прогнозирования опасных природ-но-техногенных процессов на водосборе реки, представлены на рис. 1.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Способ прогноза температуры на изобарической поверхности AT 850 rila для совершенствования прогноза развития опасных нриродно-техногенных процессов на водосборе

Для совершенствования прогноза развития опасных природно-техногенных процессов на водосборе и анализа влияния внутригодовых изменений астрономических процессов на формирование водного режима р. Белая отдельно исследовалась зависимость изменения расходов и уровней р. Белая и температуры воздуха на изобарической поверхности AT 850 гПа (Т 850) ог гелиофизических параметров, приливных процессов и нестабильности вращения Земли. Выбор Т 850 гПа обусловлен необходимостью исключить антропогенное влияние на температуру приземного слоя атмосферы, что повышает достоверность прогноза гидрологических параметров водотока.

Для оценки влияния астрономических параметров на гидрологические и метеорологические характеристики сопоставлялись:

- склонение Солнца, расход-приход лучистой энергии Солнца, гелиоцентрическое расстояние с температурой Т 850 на период 1990-2008 гг.;

- приливный потенциал Солнца и Луны с температурой Т 850 метеостанции г. Уфа в период 1990-2008 гг.;

- высота статического прилива, рассчитанная для географических координат г. Уфа с уровнями воды р. Белая в створе г. Уфа;

- угловая скорость вращения Земли с уровнями воды р. Белая в створах гг. Белорецк (д/о Арский Камень), Стерлитамак, Уфа и Бирск в период 19702000 гг.;

- изменение географической координаты местности, рассчитанной для г. Уфа с температурой AT 850 метеостанции г. Уфа в период 2007-2008 гг.

Для примера на рис. 2 представлен фрагмент графика сопоставления величин приливного потенциала Солнца и Луны и Т 850 за 2008 г.

- приливной потенциал

Рис.2, Фрагмент графика сопоставления величин приливного потенциала Солнца и Луны и AT 850 за 2008 г.

3 глава Исследование закономерностей прохождения геоэкологических процессов на водотоке

Г' , . . . Г Выбор, восстановление и Выбор, восстановление и I

• * 1 I статистически и анализ

статистический анализ . I "•"••

I гидрологических и

гилпохимических I V*-.

^ метеорологически! параметров,

гидрохимических параметров водотока

~

[""комплексная 11 Оценка взаимосвязи оценка качества « I гидрологических | воды водотока | .| параметров и качества ^ (УКИЗВ) водотока

I

Ш метеор

характеризующих водоток ^

Исследование динамики ]■ внутригодовых, межгрдовых, у экстремальных '

| ^ гидрологических параметров |

~Т глава Исследование влияния астрономических процессов на прохождение геоэкологически опасных явлений на водотоке \ "В ы^о'р Гво"сста н овлен и е ^статастйческий*! { анализ астрономических параметров — ■ . Солнечной активности, приливных |

х • процессов и нестабильности вращения \

' т..............

Оценка влияния астрономических

процессов на гидрологические параметры водотока

Оценка влияния астрономических процессов на метеорологические параметры на водосборном бассейне

Прогнозирование метеорологических параметров на водосборном бассейне

: прогнозирование: геоэкологнфски опасных процессов на водосборе реки

йг ьпряшайпткя мппали гтппгнтиппииния 1-!_ ••-.' .

I» I Гразработкя модели „рогно.ярования 1[7а деление гидрографа № I , | ШЙШ;

• :^ ' :• Й I наступл£Вия характерных фаз - г>- п0 фа)ЯЧ „,,,„„, Джима Ч ' Ур°"°Н" Ц^Г'""

• и I ■ водного режима • • . 1 | _ .. __ ^ .: ;••■.•;/■ ■

Отбор и ранжирование гидрохимических и гидрологических показателей с помощью генетических алгоритмов для прогнозирования качества водотока

Разработка комплексной модели прогнозирования геоэкологически опасных процессов, вызванных загрязнением водотока

-1-

щ

шш

Отбор и ранжирование основных факторов, влияющих на гидрологический режим водотока в период половодья, осенне-летней и зимней межени

ЕШ

2 Уровень прогнозирования; '"••' ' \ геоэкологически рпаснык'прЬцессрв^

Разработка комплексной модели прогнозирования геоэкологически опасных процессов, вызванных экстремальными значениями водности

Т~

Расчет величины геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов

Районирование водотока по е количественного и качестве!

Выявление участков водотока, требующих управленческих решений для предотвращения геоэкологически опасных процессов на водотоке

Рис. 1. Схема разработки метода™ геоэкологической оценки и прогнозирования опасных природно-техногенных процессов

на водосборе

С помощью спектрального анализа Фурье выявлены общие синхронные или с запаздыванием циклы в динамике следующих показателей:

— склонения Солнца, расхода-прихода лучистой энергии Солнца, гелиоцентрического расстояния с температурой Т 850 — 365, 120, 90 дней;

— приливного потенциала Солнца и Луны с температурой Т 850 — сим-батные циклы; высота статического прилива с уровнями воды р. Белая — 365, 120, 90 дней;

— угловой скорости вращения Земли с уровнями и расходами р. Белая — 365 дней, 17,5 и 24,4 года.

На основании выявленной взаимосвязи между экстремумами приливных потенциалов Солнца и Луны и Т 850 разработан метод долгосрочных прогнозов температуры на изобарической поверхности AT 850 (патент на изобретение РФ № 2461028 от 10.09.2012). Алгоритм расчетов AT 850 приведен на рис. 3.

С G

^ CJ

g- о

5 . о

Т850 за имеющийся

период исследования

■;>'• Матрица 365x(k+n) приливного потенциала за период исследования •

a365 к

al к+п

к - год начала исследований; п — период исследования

Зг

Матрица 1x365 приливного потенциала на прогнозный период

Анализ и вычленения тренда Т850 (определение гармоники, Фурье-анализ)

Преобразованная матрица 5x72(k+n) приливного потенциала за период _исследования

"Sk

a6k a9k

a36i к+п a365к+п

Преобразованная матрица 5х72приливного потенциала на прогнозный период

(Ьг Ь6 - Ь361\ b9 -■■ £>365 /

Определение аналога из ближайшего прошлого по наибольшему коэффициенту корреляции

72x72 (k+n) сравнения")

a361к+п\

,а365 к+пJ

R ä МАХ

Матрица 365x(k+n) преобразованных значений Т850-тренд

(V V. к+п \

65к ¿365 к+П'

Преобразованная матрица 5х72(к+п) значений ATS50

/ Ч к tb к ¿361к+п\

V£S к с9 к ^365 к+п'

Рис. 3. Алгоритм расчета температуры воздуха на изобарической поверхности AT 850 гПа

В настоящее время методика прогноза температуры на изобарической поверхности AT 850 гПа используется в БашУГМС (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 1-18-1742 от 13.05.2013 г.).

Для упрощения расчетов прогноза температуры разработана программа для ЭВМ «Расчет гидрометеорологических и астрономических характеристик, определяющих гидрологический режим водных объектов» (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011614208 от 30.05.2011).

Выявленные зависимости гидрологических и метеорологических параметров водосбора от астрономических показателей позволяют осуществлять прогноз опасных природно-техногенных процессов на водотоке.

Результаты диагностики входных параметров, в т.ч. астрономических, модели прогноза опасных природно-техногенных процессов на водосборе р. Белая

Проблемы разработки модели, возникающие при прогнозе опасных при-родно-техногенных процессов на водотоке, и предложенные в настоящей работе пути их преодоления с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) графически интерпретированы на рис. 4.

Рис.4. Возможные решения проблем прогнозирования опасных природно-техногенных процессов на водотоке с помощью ИНС

Для прогнозирования опасных природно-техногенных процессов на водотоке разрабатывались комплексные модели ИНС с учетом оптимального объема обучающей выборки входных переменных и отбора значимых метеорологи-

ческих, астрономических и гидрологических входных переменных в каждый период водности.

Для определения размера и достаточности обучающей выборки входных переменных при изменении гидрологических показателей под действием изменения климата и антропогенной нагрузки, а также для оценки оптимальности размера нейронной сети при прогнозировании расходов воды р. Белая применена теория «кривых обучения». Данная теория заключается в интер-и экстраполяции графиков ошибок обучения, построенных по размеру обучающей выборки (а также в поиске областей минимумов и взаимных асимптотических приближений ошибок обучения и обобщения).

Вариации ошибок обучения и обобщения моделирования ежедневных расходов при изменении объема обучающей выборки от 365 до 13 505 (ежедневные данные от 1 года до 37 лет) графически интерпретированы на рис. 5.

Установлено, что оптимальный размер обучающей выборки, при котором достигается минимум ошибки обобщения при удовлетворительной ошибке обучения, составляет 4015 суток (11 лет с 1997 по 2007 гг.). Приоритетным критерием отбора оптимального размера обучающей выборки исходных параметров в данном случае является ошибка обобщения, определяющая способность сети к прогнозированию.

Для повышения достоверности прогнозирования гидрологических характеристик проводился отбор значимых входных метеорологических, астрономических и гидрологических параметров прогнозной модели. С помощью генетического алгоритма (ГА) в программе Statistica 7.0 из числа заданных выявлены наиболее значимые для прогноза расхода воды в период половодья, летне-осенней и зимней межени параметры (табл. 1).

Как видно из табл. 1, наиболее значимыми параметрами для прогнозирования расходов воды в период половодья являются максимальные запасы воды в снеге, температура воздуха, количество осадков, осеннее увлажнение почвы, глубина промерзания почвы.

Для периода летне-осенней и зимней межени, в качестве значимых для прогноза расходов воды р. Белая, ГА отобраны:

- гидрометеорологические показатели: температура воздуха, количество осадков, температура воды;

100 ¡90 V 5-80 о 5- S 60 (* к 0 в 0 20 2 110

\ N ч Í» *

1 \ 1 1

«———ошибка обобщения - — —ошибка обучения объем выборки

Рис. 5. Зависимость ошибок обучения и обобщения от объема обучающей выборки при прогнозировании расходов воды р. Белая в створе г. Уфа

- астрономические параметры: высота статического прилива, приливный потенциал и расход лучистой эпергии.

Таблица 1 — Результаты отбора генетическим алгоритмом входных параметров для прогнозирования расходов вод р. Белая г,

Уфа

Входные араметры

Я V т и

Ч В

1 = I °

£ и

В н •в- о я » a. S u ч

Ii

4) П

iff11

Зимняя межень

-

Примечание: н--значимый параметр,--незначимый параметр, -1 воды до ледостава

Значимые для прогнозов расходов воды параметры с учетом рассчитанного ранее оптимального объема обучающей выборки (4 015 сут.) использованы в программе Statistica 7,0 в качестве входных параметров прогнозной модели ИНС.

Для прогноза экологического состояния водного объекта проводилась интеграция параметров качества воды и водности и аналогично с помощью ГА отбирались значимые входные параметры, которые впоследствии использованы в качестве входных для прогноза гидрохимических параметров водотока.

Методика применения элементов искусственного интеллекта (искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов) для прогноза геоэкологическн опасных явлений

Для прогноза дат наступления гидрологических явлений проводился отбор дат начала и конца половодья, максимума половодья, начала летне-осенней и зимней межени по четырем контрольным створам р. Белая за период 1961-2008 гг., которые послужили входными параметрами для обучения ИНС в программе Statistica 7.0 Neural Networks с последующим прогнозом и верифицированием данных на 2009 и 2010 гг. Протестированы и обучены более 10 000 моделей. По анализу топологии протестированных сетей отобрана обобщенно-регрессионная сеть (GRNN).

Результаты прогноза дат наступления характерных гидрологических явлений с помощью ИНС сравнивались с результатами прогноза вероятностно-статистического (ВС) метода. Сравнительная оценка ошибок прогнозирования, выполненного вероятностно-статистическим методом и с помощью искусственных нейронных сетей для р. Белая створа г. Уфа на 2008 г., представлена в табл. 2.

Таблица 2 — Сравнительная оценка относительных ошибок прогноза дат наступления характерных гидрологических явлений с помощью ИНС и ВС-метода для створа р. Белая г. Уфа

Параметры Относительная ошибка ВС-метода, % Относительная ошибка прогноза ИНС, % Разница между относительными ошибками ВС-метода и ИНС, %

Дата начала половодья 20 16 4

Дата конца половодья 13 15 5

Дата максимума половодья 12 12 0

Дата начала зимней межени 22 17 5

Дата конца летне-осенней межени 16 17 1

Относительные ошибки прогнозов с помощью ИНС и ВС-метода различаются незначительно (от 0 до 5 %), что свидетельствует о возможности использования обоих способов.

Обученная нейронная сеть была применена для прогнозирования расходов воды — краткосрочного на 2008 г. и среднесрочного и долгосрочного на 2009 и 2010 гг. (данные 2008, 2009 и 2010 гг. использованы как контрольная выборка для валидации модели).

Пример сопоставления прогнозных и фактических значений расходов воды на 2008 г. графически интерпретирован на рис. 6.

4500 --Анализ валидации мо-

дели показал, что относительная ошибка прогнозирования расходов воды р. Белая в створе г. Уфа не превышает 34 %.

Оценка достоверности и оправдываемости разработанных моделей прогноза расходов воды согласно Наставлениям по Службе прогнозов ГГИ показала, что: — краткосрочный прогноз является оправдавшимся в 98 % случаев, методика прогноза имеет категорию «хорошая»;

январь март май июль сентябрь ноябрь 2008г.

- - - - прогнозные ИНС знач расхода воды —— фактический расход воды

— - -вероятБзиачрэсходаводы — -среднеин знач расхода воды

Рис. 6. Фактические и прогнозируемые расходы речной воды р. Белая в створе г. Уфа, 2008г. в сравнении со среднемвоголетними и наиболее вероятными (с обеспеченностью 50%) значениями

— среднесрочный прогноз является оправдавшимся в 79 % случаев, методика прогноза имеет категорию «хорошая»;

— долгосрочный прогноз является оправдавшимся в 98 % случаев, методика прогноза имеет категорию «удовлетворительная».

Для апробации моделей прогноза в работе также выполнен прогноз ежедневных и экстремальных значений расходов воды р. Белая в створе г. Уфа на 2014-2015гг. (результаты расчетов переданы в БашУГМС).

Проверка разработанных методик прогноза расхода воды на независимом материале показала, что оправдываемость проверочных прогнозов составила: для дат наступления геоэкологически опасных явлений - 95%; краткосрочного прогноза (для створа р. Белая г. Уфа на 2002-2004 гг.) - 78%; среднесрочного прогноза (для створа г. Стерлитамак на 2005-2007 г.) - 89%; долгосрочного прогноза (для створа г. Бирск на 1998-2001 гг.) - 76 %.

Высокая оправдываемость разработанных методик обусловлена оптимальным объемом обучающей выборки входных параметров ИНС и отбором ГА входных параметров. Использование последних позволило улучшить модель прогноза расходов воды на 30 % с учетом значимых параметров и на 32 % вследствие оптимизации обучающей выборки.

Для прогнозирования 29 гидрохимических показателей качества воды р. Белая обучено и протестировано свыше 100 000 моделей. Определена архитектура сети. Обученные ИНС применены для прогнозирования показателей качества воды р. Белая в створах д/о Арский Камень, а также гг. Стерлитамак, Уфа и Бирск на 2007 г.

Минимальные (§_) и максимальные (5+) относительные ошибки прогнозирования параметров качества воды р. Белая в створе г. Уфы приведены в табл. 3.

Таблица 3 — Результаты прогнозирования гидрохимических показателей

качества воды р. Белая в створе г. Уфа на 2007 г.

Гидрохимический показатель Минимальная / максимальная относительная ошибка прогнозирования, % Допустимая погрешность измерений, %

Минерализация 0,4/5,1 10

Взвешенные вещества 1,3/8,0 20

Жесткость 2,8/5,3 15

Растворенный кислород 0/4,1 30

БПК5 0/5,2 30

ХПК 2,9/7,5 30

Сульфаты 4,9/10,2 10

СПАВ 2,7/4,1 30

Азот аммонийный 1,5/9,1 50

Азот нитритный 2,2/6,7 25

Азот нитратный 2,0/7,2 15

Цинк 4,8/11,3 20

Медь 3,6/9,2 25

Хром общий 4,5/7,8 30

Марганец 1,2/4,7 25

Нефтепродукты 4,7/8,2 50

Как видно из табл. 3, относительная ошибка прогнозирования гидрохимических показателей качества воды р. Белая находится в пределах погрешно-

сти измерения этих параметров, что показывает высокую степень достоверности гидрохимического прогноза с использованием ГА при отборе входных параметров нейронной сети.

Проверка полученных результатов прогноза гидрохимических показателей р. Белая на независимом материале выполнялась с использованием информации по всем указанным пунктам наблюдений за период 1996-2006 гг. Результаты апробации показали, что относительная ошибка прогнозирования варьировалась от 0 до 34 %.

Результаты оценки геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов

Для оценки экологического состояния р. Белая разработана и апробирована методика оценки геоэкологического риска, алгоритм которой приведен на рис. 7.

4 Этап Расчет средневзвешенного чначр [ия геоэкологического риска

Определение класса опасности геоэкологического риска путем ранжирования значений RISK ср

-

Слабая 0,0 - 0,25 Средняя: 0,25 - 0,50 Сильная: 0,50-0,75 Очень сильная: 0,75-1,00

Рис. 7. Алгоритм методики определения геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов водотока

Геоэкологический риск представляет собой обобщенный показатель (средневзвешенное значение) рисков загрязнения водотока и количественного истощения водных ресурсов. При его расчете предложено усовершенствовать методику определения риска загрязнения водотока, разработанную С. В. Щербининой (2006), используя для оценки качества воды удельный комбинаторный индекс загрязнения воды (УКИЗВ).

Проведена комплексная оценка качества воды р. Белая по показателю удельный комбинаторный индекс загрязненности воды (УКИЗВ) в весенний, летне-осенний и зимний гидрологические сезоны. Расчет значения комбинаторного индекса загрязненности и относительная оценка качества воды проводились в 2 этапа: сначала по каждому изучаемому ингредиенту и показателю загрязненности воды, затем рассматривался одновременно весь комплекс загрязняющих веществ и выводилась результирующая оценка.

Результаты расчета среднемноголетнего удельного комбинаторного индекса загрязнения воды в сравнении с физико-географическими условиями расположения водотока для контрольных створов р. Белая представлены на рис. 8.

Рельеф

г. Белорецк г. Стерлитамак г. Уфа_г. Бирск

Промышленные Хозяйственно-бытовые

Исток

Устье

И весенний сезон В летне-осенний сезон U зимний сезон

УКИЗВ

Белорецк Стерлитамак_Уфа _Бирск

V о

8jees

Ш и 5 d О s та

источники ssgi? xfs

_ ^ ш й w га 5 о

Главные £ g g _ е § g й 8 1 i %

....... ¡.S « 5 о i £ о Д. о i s

загрязнения gS aE?o!

a. ¥ с ra 2 ©.Sag

поверхностных >. I fi6cs о § Я ю i

ВОД S| t'lig ¡¡f Si

1 I 1

11 . 5 St Iflll

2 s «о -8- I ?

Рис.8. Изменение УКИЗВ р. Белая исследуемых створов в весенний, летне-осенний и зимний сезоны (1990-1997 гг.)

Результаты комплексной оценки качества воды р. Белая показывают, что наименьшее среднемноголетнее значение УКИЗВ наблюдалось в летне-осенний сезон в створах гг. Белорецк, Стерлитамак, Уфа и в весенний сезон для створа г. Бирск; наибольшее — в зимний сезон для створов гг. Белорецк, Уфа, Бирск и в весенний сезон для створа г. Стерлитамак. Качество воды классифицировалось от степени «очень загрязненная» (УКИЗВ-3,74) до «грязная» (УКИЗВ-4,68).

При расчете риска истощения водных ресурсов на основе экспертной оценки выполнялся перерасчет площадей действующих водосборных бассейнов (для искусственно созданных (запечатанных) территорий). В качестве экспертов были привлечены исследователи Institute for Water River Basin Management Karlsruhe Institute for Technology.

По разработанной методике выполнен расчет риска истощения и загрязнения воды р. Белая в исследуемых створах.

Риск количественного истощения водных ресурсов р. Белая уменьшается от створа к створу по течению реки (г. Белорецк— 0,254, г. Бирск— 2Т0"4), что объясняется увеличением водности реки от истока к устью за счет притоков, поэтому при разработке природоохранных мер и планировании антропогенной нагрузки необходимо учитывать водность реки на каждом участке.

Значения риска загрязнения водных ресурсов, наоборот, увеличиваются от истока к устью (от створа г. Белорецк — 0,825 до г. Бирск — 0,999).

Обобщенный средневзвешенный геоэкологический риск изменялся в пределах от 0,99 (в створах гг. Уфа и Стерлитамак) до 0,64 (в створе г. Белорецк).

На основании полученных результатов выполнено районирование водотока по величине геоэкологического риска (рис. 9).

Рис. 9. Районирование бассейна р. Белая по величине риска количественного и качественного истощения водных ресурсов

Анализ величины многолетнего геоэкологического риска показывает, что на участке р. Белая от г. Стерлитамак до г. Бирск, где располагаются производственные объекта, класс опасности риска «очень сильная», на участке после г. Бирск постепенно риск становится «сильным». Разработанная методика интегральной оценки риска истощения водных ресурсов позволяет выявить участки водотока, требующие незамедлительной реализации природоохранных мероприятий и принятия управленческих решений по рациональному использованию водных ресурсов (при величине риска истощения водных ресурсов >0,5).

Рекомендации но системе мероприятий снижения негативных последствий геоэкологических опасных процессов на водосборе, вызванных повышенной и/или пониженной водностью реки

На основании оценки и прогноза истощения водных ресурсов р. Белая разработаны рекомендации по снижению негативных последствий геоэкологических опасных процессов на водосборе, вызванных техноприродными процессами. Схема рекомендуемых мероприятий по снижению негативных последствий опасностей, вызванных повышенной и/или пониженной водностью р. Белая в створе г. Уфа по прогнозу на 2009-2010гг. представлена на рис. 10.

Регулирование спуска Регулирование спуска

Павловского водохранилища Павловского водохранилища

1000 500

о о

прогнозируемый дасход;воды

___I_■_I-

Регулирование ! ' навигации судов | Контроль сброса ; сточных вод Контроль водопотребления

о о

фактический расход воды

__•_I__

Регулирование. Контроль сброса навигации судор сточных вод

Контроль водопотребления

Рис. 10. Схема рекомендуемых мероприятий по снижению негативных последствии опасных природао-техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью р. Белая в створе г. Уфа по прогнозу на 2009-20 Югт.

На основании прогноза опасных природно-техногепных процессов, вызванных повышенным или пониженным уровнем воды, предлагаются: 1. в случае наступления уровней воды, выше уровня затопления и выхода на пойму -регулирование спуска Павловского водохранилища, ограничение сброса сточных вод; 2. при наступлении уровня воды ниже уровня нарушения судоходства и оголения водозаборов предлагается регулирование навигации судов, квотирование водопотребления и ограничение сброса сточных вод.

Лимиты и квоты должны устанавливается на основании состояния, режима, физико- географических, морфометрических и др. особенностей водного объекта, а также при обращении уполномоченных органов о необходимости (с обоснованием) изменения установленных квот.

Результаты прогноза повышения и понижения водности и уровней воды и рекомендуемые мероприятия по снижению негативных последствий геоэколо-гически опасных явлений р. Белая на 2014-2015гг. переданы в БашУГМС и МПР по Республике Башкортостан (акты о внедрении результатов диссертационной работы № 1-18-1742 от 13.05.2013 г. и 01/04124 от 16.05.2013 г.).

Выводы

1. Выполнена комплексная оценка качества воды р. Белая. Наименьшее сред-немноголетнее значение УКИЗВ наблюдалось в летне-осенний сезон в створах: г. Белорецк, г. Стерлитамак, г. Уфа и в весенний сезон для створа - г. Бирск; наибольшее — в зимний сезон для створов: г. Белорецк, г. Уфа, г. Бирск и в весенний сезон для створа г. Стерлитамак. Качество воды классифицировалось от степени «очень загрязненная» (УКИЗВ-3,74) до степени «грязная» (УКИЗВ=4,68).

Определены приоритетные загрязняющие вещества р. Белая - нефтепродукты и марганец. Исследована динамика их изменения в различные фазы водного режима.

2. Исследованы влияния многолетних и сезонных изменений астрономических параметров (склонения Солпца, расхода-прихода лучистой энергии Солнца, гелиоцентрического расстояния, высоты статического прилива, приливного потенциала Солнца и Луны, угловой скорости вращения Земли) на уровни и расходы р. Белая в створах гг. Белорецк, Стерлитамак, Уфа, Бирск и температуры на изобарической поверхности AT 850 гПа в период 1990— 2008 гг.

Установлено, что:

— астрономические показатели гелиофизических процессов (склонение Солнца, расход-приход лучистой энергии Солнца, гелиоцентрическое расстояние) имеют общие периоды 90, 120, 365 дней с температурой на изобарической поверхности AT 850 гПа метеостанции г. Уфа;

— показатель приливных процессов Солнца и Луны — высота статического прилива имеет общие периоды 90, 120, 365 дней с уровнями воды в р. Белая в створах гг. Белорецк, Стерлитамак, Уфа и Бирск;

— показатель приливпых процессов Солпца и Луны (приливный потенциал) имеет симбатные циклы с температурой на изобарической поверхности AT 850 гПа метеостанции г. Уфа;

— показатель нестабильности вращения Земли (угловая скорость вращения) имеет общие циклы 365 дней, 17,5 и 24,4 года с уровнями и расходами воды р. Белая в створах гт. Белорецк, Стерлитамак, Уфа и Бирск.

Рассчитанные величины лага запаздывающего влияния составляют:

— приливного потепцпала Солнца и Луны на температуру на изобарической поверхности AT 850 гПа метеостанции г. Уфа— 3 дня;

— угловой скорости вращения Земли на уровни и расходы воды р. Белая в створах гг. Белорецк, Стерлитамак, Уфа и Бирск — 9,2-9,7 месяцев.

Для повышения достоверности прогноза гидрологических параметров водотока и исключения антропогенного влияния на температуру приземного слоя атмосферы разработан способ прогноза температуры на изобарической поверхности AT 850 гПа по приливным процессам Солнца и Луны.

Апробация способа прогноза температуры на изобарической поверхности AT 850 гПа для г. Уфа показала высокую достоверность прогнозируемых величин (средние абсолютные ошибки составляют 2,5-10,0 °С (1,6-22,2%)) (пп. 1.14 паспорта специальности).

2. На основании интеграции искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов разработаны модели краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного прогнозов периодов малой, высокой водности и загрязнения водотока.

Впервые с помощью генетического алгоритма отобраны значимые входные параметры прогнозных моделей расходов воды в различные периоды водности и ассимилирующей способности водотока.

Установлено, что значимыми параметрами для осуществления краткосрочного прогноза опасных ириродно-техногепиых процессов (с заблаговременностью 1 день) на р. Белая являются:

— гидрологические: температура воды;

— метеорологические: температура воздуха, количество осадков;

— характеристики условий формирования половодья: максимальные запасы воды в снеге, глубина промерзания почвы, осеннее увлажнение почвы;

— астрономические: расход-приход лучистой энергии Солнца, приливный потенциал Солнца и Луны, высота статического прилива.

Для среднесрочного прогноза опасных ириродно-техногепиых процессов на р. Белая (с заблаговременностью 2-3 месяца) в качестве значимых параметров выступают:

— характеристики условий формирования половодья: максимальные запасы воды в спеге, глубина промерзания почвы, осеннее увлажнение почвы;

— астрономические показатели: расход-приход лучистой энергии Солнца, приливный потенциал Солнца и Лупы, высота статического прилива.

Для долгосрочного прогноза опасных природно-техногенных процессов на р. Белая (с заблаговременностью более 1 года) значимыми являются астрономические показатели: расход-приход лучистой энергии Солнца, приливный потенциал Солнца и Лупы, высота статического прилива.

Относительная ошибка краткосрочного прогноза расходов воды не превышает 34 %.

Относительная ошибка среднесрочного прогноза максимальных расходов воды р. Белая не более 17, минимальных расходов воды— не более 28, среднегодовых расходов воды — не более 33 %.

Относительная ошибка долгосрочного прогноза минимальных расходов воды не превышает 9%.

Выполнен прогноз ежедневных расходов воды р. Белая в створе г. Уфа на 2013 г. (для последующей апробации в ФГБОУ БашУГМС).

При анализе валидации моделей прогноза ассимилирующей способности р. Белая относительная ошибка прогнозирования величин гидрохимических показателей находится в пределах погрешности измерений гидрохимических параметров) (пп. 1.1 паспорта специальности)

3. Разработаны и апробированы модели восстановления пропущенных геоэкологических данных с помощью элементов искусственного интеллекта, позволяющие восстанавливать гидрологические, метеорологические, астрономические и гидрохимические показатели при отсутствии данных измерений.

Результаты апробации модели восстановления отсутствующих астрономических (гелиоцентрическое расстояние, угловая скорость вращения Земли), метеорологических (температура на изобарической поверхности AT 850 гПа), гидрологических (расходы воды), гидрохимических (концентрации нефтепродуктов, азота аммонийного и др.) данных показали, что коэффициенты корреляции расчетных (восстановленных) и фактических значений находятся в пределах 0,80-0,99 (п. 1.3 паспорта специальности).

4. Разработана и апробирована методика интегральной оценки геоэкологического риска загрязнения водотока и истощения водных ресурсов. При расчете риска загрязнения водных ресурсов использован удельный комбинаторный индекс загрязнения воды. Выполнено районирование р. Белая по величине многолетнего геоэкологического риска.

На основании оценки и прогноза количественного и качественного истощения водных ресурсов р. Белая разработаны рекомендации по снижению их негативных последствий (п. 1.17 паспорта специальности).

Список основных опубликованных работ по теме диссертации

1. Красногорская, Н. Н. Совершенствование разработки методов прогнозирования геоэкологических опасностей на водотоке для задач управления водными ресурсами [текст] / Н. Н. Краспогорская, Ю. И. Ферапонтов, Э. В. Нафикова // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. — 2013. —■ № 28. — С. 43-50.

2. Краспогорская, Н. Н. Оценка геоэкологического состояпия водотока по показателям качества воды и истощению водных ресурсов [текст] / Н. Н. Красногорская, Ю. И. Ферапонтов, Э. В. Нафикова // Проблемы региональной экологии. — 2012. — № 5. — С. 20-27.

3. Краспогорская, Н. Н. Оценка и прогнозирование экстремальных гидрологических ситуаций [текст] / Н. Н. Красногорская, Э. В. Нафикова, Ю. И. Ферапонтов // Современные проблемы науки и образования (электронный журнал). —2012. — Л"» 1 (http://www.science-education.ru/pdfy2012/l/18.pdi).

4. Красногорская, H. H. Интеграция генетических алгоритмов и искусственных нейронных сетей для прогнозирования качества речпой воды [текст] / H. Н. Красногорская, JI. М. Якупова, Э. В. Нафикова, Ю. И. Ферапонтов, А. Н. Близарьев, Т. Б. Фащевская // Безопасность жизнедеятельности. — 2010. — № 8. — С 24-30.

5. Красногорская, H. Н. Использование нейронных сетей при прогнозировании качества речной воды [текст] / H. Б. Красногорская, А. Н. Елизарьев, Т. Б. Фащевская, Л. М. Якупова, Э. В. Нафикова // Безопасность, жизнедеятельности. — 2009. — № 4. •—■ С. 15-21.

6. Способ прогноза температуры воздуха [текст] : пат. на изобретение РФ № 2461028 от 10.09.2012 / Красногорская H. Н., Елизарьев А. Н., Нафикова Э. В., Ферапонтов Ю. М., Янышева Я. В.

7. Красногорская, H. Н. Расчет размера вреда, причиненного водным объектам вследствие антропогенной деятельности, с использованием геоинформационных систем [электронный ресурс] / H. Н. Красногорская, А. Н. Елизарьев, Э. В. Нафикова, Р. Г. Ахтямов, Д. А. Маслов, Д. П. Петров. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009611616 от 26.03.2009.

8. Красногорская, H. Н. Расчет основных гидрологических характеристик [электронный ресурс] 1 H. Н. Красногорская, А. Н.Елизарьев, Э. В. Нафикова, JI. М. Якупова, Е. М. Ганцева. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ№ 2010612194, от 24.03.2010

9. Красногорская, H. Н. Расчет гидрометеорологических и астронометрических характеристик, определяющих гидрологический режим водных объектов [электронный ресурс] / H. Н. Красногорская, А. Н. Елизарьев, Э. В. Нафикова, Jl. М. Якупова, Е. М. Ганцева. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011614208 от 30.05.2011.

10. Красногорская, H. Н. Разработка оперативного прогноза экстремальных гидрологических ситуаций с использованием элементов искусственного интеллекта [текст] / Н. Н.Красногорская, Э. В. Нафикова // Materialy УП mezinarodni ve-decko-prakticka conférence «Dny vedy — 2012». — Dil. 78. Zemepis a geologie: Praha. Publishing House «Education and Science» s. r.o. — S. 16.

11. Елизарьев, A. И. Интеграция генетических алгоритмов и искусственных нейронных сетей в применении к управлению водными ресурсами [текст] / А. Н. Елизарьев, JI. М. Якупова, Э. В. Нафикова // Чистая вода— 2009 : Тр. международ. науч.-практ. конф. Т. 2. — Кемерово : КемТИПП, 2009. — С. 280-282.

13. Красногорская, Н.Н. Model building for the forecast of the hydrological processes for water resource management : Разработка методов прогнозирования гидрологических процессов для задач управления водными ресурсами [текст] / H. Н. Красногорская, Э. В. Нафикова, Ю. И. Ферапонтов // Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон, Эко-гидромет 2012. — СПб. : Изд. РГГМУ, 2012. — С. 129-132.

14. Красногорская, H. И. Оценка влияния антропогенной деятельности на формирование качества вод [текст] / H. Н. Красногорская, Э. В. Нафикова, Ю. И. Ферапонтов, А. Т. Набиев // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии : сб. мат-лов V международ. науч.-пракг. конф.: в 2 т. / под ред. А. И. Сидорова. Т. 1. — Челябинск : Издательский центр ЮУрГУ, 2012. — С. 328333.

15. Красногорская, H. Н. Оценка интегрированного риска экстремальных гидрологических ситуаций [текст]- / H. Н. Красногорская, А. Н. Елизарьев,

JI. М. Якупова, Э. В. Нафикова //. Сахаровские чтения 2010 г.: экологические проблемы XXI века : мат-лы 10-й междунар. науч. конф., 20-21 мая 2010 г., Минск, Республика Беларусь : в 2 ч. / под ред. С. П. Кундаса, С. Б. Мельнова, С. С. Позняка. —Минск : МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2010. — С. 134-135.

16. Нафикова, ЭЛ. Интеграция элементов «мягких вычислений» в управлении водными ресурсами [текст] / Э.В. Нафикова, Л.М. Якупова, А.Н. Елизарьев, H.H. Красногорская //.Материалы докладов ХШ межрегионального конкурса научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа в области безопасности жизнедеятельности. — Уфа:Уфимский государственный авиационный технический университет, 2009. — С.356-360

17. Красногорская, H.H. Прогнозирование гидрометеорологических параметров с применением генетических алгоритмов и искусственных нейронных сетей [текст] / H.H. Красногорская, АЛ.Епизарьев, Л.М. Якупова, Э.В.Нафикова, И.Ю. Кияшко //.Материалы докладов ХШ межрегиопальпого конкурса научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа в области безопасности жизнедеятельности. — Уфа: Уфимский государственный авиационный технический университет, 2009. — С.298-302

18. Красногорская, H.H. Восстановление гидрометеорологических данных с помощью искусственных нейронных сетей [текст] / H.H. Красногорская, Э.В.Нафикова // Материалы докладов ХШ межрегионального конкурса научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа в области безопасности жизнедеятельности. — Уфа:Уфимский государственный авиационный технический университет, 2009. — С.289-293

19. Koenig, F. Gewässerentwiklung in Moskau-Erfahrungen [text] / F. Koenig, E. Nafikova, B. Lehmann, F. Nestmann // Wasserwirtschaft. — 2011. — № 4. — S. 2632.

Работы № 1-5 опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, соответствующих перечню ВАК РФ. На работы 6-9 получен патент РФ и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ.

Подписано в печать 10.07.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офисная. Печать плоская. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,5. Уч.-изд. 1,3. Тираж 100 экз. Заказ № 421 ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Редакционно-издательский комплекс УГАТУ 450000, Уфа-центр, ул. К.Маркса, 12

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Нафикова, Эльвира Валериковна, Уфа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201362636 На правах рукописи

Нафикова Эльвира Валериковна

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОПАСНЫХ ПРИРОДНО - ТЕХНОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ВОДОСБОРЕ РЕКИ (на примере р. Белая Республики Башкортостан)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата географических наук Специальность 25.00.36 - Геоэкология

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Красногорская Наталия Николаевна

Уфа - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение......................................................................................................................5

Глава 1 Современное состояние проблемы геоэкологической оценки и прогнозирования опасных природно - техногенных процессов на водотокеЮ

1.1. Идентификация и анализ опасных природно - техногенных процессов на водотоке......................................................................................................................10

1.1.1. Влияние физико - географических факторов на условия формирования опасных природно - техногенных процессов на водотоке...................................15

1.1.2. Воздействие астрономических изменений на гидрологический режим

водотока......................................................................................................................17

1.1.3 Воздействие антропогенной деятельности на формирование опасных природно - техногенных процессов водотока........................................................19

1.2. Прогнозирование качественного и количественного состояния водотока..21

1.2.1 Прогнозирование водности водотока.............................................................22

1.2.2. Прогнозирование качества водотока.............................................................28

1.3. Подготовка и отбор входных параметров нейронной сети при прогнозировании геоэкологического состояния водотока...................................35

1.4. Геоэкологическая оценка риска возникновения опасных природно -

техногенных процессов на водосборах рек............................................................40

Выводы по первой главе:..........................................................................................46

Глава 2 Характеристика объекта исследования и исходных данных.

Методы исследования.............................................................................................47

2.1. Физико - географические условия водосборного бассейна реки Белая.......47

2.2 Общая характеристика исходных данных........................................................53

2.3. Методы исследования, используемые для оценки и прогнозирования опасных природно - техногенных процессов на водотоке...................................55

2.3.1. Методы элементов искусственного интеллекта...........................................56

2.3.2. Отображение пространственно - распределенных данных с помощью

геоинформационных систем.....................................................................................62

Выводы по второй главе...........................................................................................64

Глава 3 Исследование закономерностей прохождения прохождения опасных природно — техногенных процессов на водотоке..............................66

3.1. Статистический анализ гидрохимических и гидрометеорологических данных реки Белая.....................................................................................................68

3.2. Анализ временных изменений гидрологичсеких характристик реки Белая 69

3.2.1 Анализ межгодовых временных изменений экстремальных гидрологичсеких характристик реки Белая............................................................70

3.2.2 Анализ временных изменений дат наступления характерных

гидрологических явлений реки Белая.....................................................................73

3.2.4 Анализ цикличности дат наступления характерных гидрологических явлений.......................................................................................................................77

3.3 Оценка пригодности качества речной воды для различных видов

водопользования........................................................................................................80

Выводы по третьей главе..........................................................................................85

Глава 4 Исследование влияния астрономических процессов на прохождение опасных природно - техногенных процессов на водотоке.....87

4.1. Формирование базы данных показателей природных процессов, формирующих гидрологический режим водотока................................................89

4.2. Статистический анализ параметров природных процессов, формирующих гидрологический режим водотока...........................................................................93

4.3. Анализ межгодовых и внутригодовых временных изменений гидрологических, метеорологических и астрономических характеристик.........95

4.4 Анализ внутригодовых временных изменений параметров природных

процессов, формирующих гидрологический режим реки Белая..........................98

4.4.1 Анализ внутригодовых временных изменений астрономических гелиогеофизических параметров формирование гидрологического режима реки Белая.............................................................................................99

4.4.2. Анализ внутригодовых временных изменений астрономических параметров приливных процессов Солнца и Луны, формирующих гидрологический режим реки Белая......................................................................102

4.4.3. Анализ внутригодовых временных изменений астрономических параметров нестабильности вращения Земли, формирующих гидрологический режим реки Белая....................................................................................................106

4.5. Анализ цикличности параметров природных процессов, формирующих гидрологический режим реки Белая......................................................................110

4.6. Анализ запаздывающего влияния астрономических процессов на гидрологический режим реки Белая......................................................................113

4.7. Способ прогноза температуры воздуха на изобарическом уровне AT -850 гПа на основании изменения приливного потенциала Солнца и Луны.....121

4.7.1 Прогноз температуры воздуха на изобарическом уровне AT - 850 гПа в зависимости от приливных процессов Солнца и Луны с помощью

искусственных нейронных сетей...........................................................................122

Выводы по четвертой главе....................................................................................125

Глава 5 Прогнозирование опасных природно - техногенных процессов на водотоке с помощью элементов искусственного интеллекта (на примере

р. Белая)...................................................................................................................127

5.1. Прогнозирование периодов прохождения фаз водного режима р. Белая . 130 5.3. Определение оптимального объема входных параметров обучающей выборки для прогнозирования опасных природно - техногенных процессов реки Белая.................................................................................................................132

5.4 Отбор значимых входных показателей для прогноза опасных природно -техногенных процессов в каждый период водности...........................................134

5.5 Прогнозирование опасных природно - техногенных процессов с помощью искусственных нейронных сетей...........................................................................138

5.5.1 Краткосрочный прогноз опасных природно - техногенных процессов реки Белая...........................................................................................139

5.5.2 Среднесрочный прогноз опасных природно - техногенных процессов

реки Белая......................................................................................144

5.5.3. Долгосрочный прогноз опасных природно - техногенных процессов р. Белая.........................................................................................148

5.6 Прогнозирование гидрохимических показателей качества воды р. Белая.. 152 5.7. Оценка геоэкологического состояния водотока истощения водных ресурсов....................................................................................................................157

5.7.1. Анализ и расчет риска истощения водных ресурсов.................................158

5.7.2. Анализ и расчет риска загрязнения водных ресурсов реки Белая...........165

5.7.3. Расчет риска количественного и качественного истощения водотока.... 166 5.8 Рекомендации по уменьшению негативных последствий опасностей

техноприродных процессов на водотоке..............................................................170

Выводы по пятой главе...........................................................................................172

Выводы....................................................................................................................174

Список использованных источников....................................................................177

Приложения..............................................................................................................195

Приложение 1...........................................................................................................195

Приложение 2...................................................Ошибка! Закладка не определена.

Приложение 3...................................................Ошибка! Закладка не определена.

Введение

Состоянием водных ресурсов человечество озабочено начиная с XX века. Не случайно 1980 - 1990гг. названы международным десятилетием воды. Гидрометеорологические наблюдения свидетельствуют о том, что водные ресурсы весьма уязвимы и подвергаются постоянному истощению, которое влечет значительные последствия, как для человеческого общества, так и для экосистем.

Опасные природно - техногенные процессы на водотоках (малая и повышенная водность, загрязнение водотока) по повторяемости и охвату территории занимают первое место среди всех опасных процессов и приводят к значительным последствиям, как для общества, так и для экосистем.

Как показывает мировой опыт, затраты на прогнозирование, оценку рисков и обеспечение готовности к событиям чрезвычайного характера в 15 раз меньше по сравнению с затратами на предотвращение ущерба.

Для разработки научно - методических основ прогнозирования опасных природно - техногенных процессов необходимо исследование состояния идентификации геоэкологически опасных явлений водосбора реки, выявления причин их возникновения, анализ существующих методов прогнозирования и оценки риска их возникновения.

Обеспечение рационального водопользования предполагает выполнение экологической оценки существующего состояния водотоков с учетом загрязнения и истощения водных ресурсов, а также геоэкологического прогноза. В связи с этим геоэкологическая оценка и прогнозирование риска возникновения опасных природно - техногенных процессов на водотоке является весьма актуальным.

Работа выполнена по тематике, входящей в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденной Президентом РФ 21 мая 2006г. №Пр - 842, включающее в себя технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф и в соответствии с планом фундаментальных научно - исследовательских работ Уфимского государственного авиационного технического университета «Развитие теоретических основ и моделей мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений» (ЭФ - БП

- 20 - 10 - 03), и «Развитие наукоемких технологий мониторинга, охрана и прогнозирование состояния атмосферы и гидросферы в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений и чрезвычайных ситуаций» (ЭФ

- БП - 20 - 12 - ОЗ).

Цель настоящей работы является разработка методики геоэкологической оценки и прогнозирования опасных природно - техногенных процессов на водосборе реки.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

- исследованы многолетние и сезонные изменчивости гидрологических и гидрохимических параметров для выявления закономерностей геоэкологических процессов на водосборе реки;

- исследовано влияние астрономических процессов на прохождение гео-экологически опасных явлений на водотоке, вызванных пониженной или повышенной водностью;

- разработаны модели интегрированной оценки параметров качества воды и водности для прогноза опасных природно - техногенных процессов на примере р. Белая Республики Башкортостан;

- разработаны модели восстановления исходных данных геоэкологических процессов в каждый период водности реки и выполнена их апробация при восстановлении пропущенных гидрологических, метеорологических, гидрохимических данных;

- проведена оценка риска количественного и качественного истощения водных ресурсов р. Белая.

Для апробации разработанных моделей прогнозирования и методик оценки опасных природно - техногенных процессов на водотоке в качестве объекта исследования выбрана р. Белая — крупнейшая водная артерия Республики Башкортостан, приток р. Волги 2-го порядка.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Предложен способ прогноза температуры на изобарической поверхности АТ - 850 гПа для совершенствования геоэкологического прогноза развития опасных природно - техногенных процессов на водосборе и исключения антропогенного влияния при исследовании влияния приливных процессов Солнца и Луны на температуру приземного слоя атмосферы (патент на изобретение РФ №2461028 от 10.09.2012).

2. Проведена диагностика входных параметров, в т.ч. астрономических, модели прогноза геоэкологических процессов на водосборе р. Белая.

3. Разработана методика применения элементов искусственного интеллекта (искусственных нейронных сетей и генетических алгоритмов) для про-

гноза геоэкологически опасных явлений, вызванных повышенной и/или пониженной водностью и загрязняющими веществами.

4. Выполнена оценка геоэкологического риска количественного и качественного истощения водных ресурсов.

5. Разработана система мероприятий по снижению негативных последствий опасных природно - техногенных процессов, вызванных повышенной и/или пониженной водностью реки.

Практическая ценность:

1. Для рационального водопользования разработаны модели прогноза опасных природно - техногенных процессов водосбора, позволяющие в условиях изменяющегося климата и антропогенной нагрузки осуществлять оперативный и долговременный достоверный прогноз.

2. Разработаны модели, позволяющие восстанавливать пропущенные гидрометеорологические, гидрохимические и астрономические данные.

3. Разработанные методы прогноза гидрологических, гидрохимических и метеорологических показателей, программные продукты расчета (№2009611616, №2010612194, №2011614208) апробированы и используются в Башкирском территориальном управлении по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (БашУГМС) (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 1 - 18 - 1742 от 13.05.2013 г.).

4. Результаты проведенных исследований использованы при разработке комплексной программы социально - экономического развития городского округа город Уфа Республики Башкортостан на 2011-2015 гг. (пункт 4.1.7 — Окружающая среда) и рекомендованы резолюцией конференции в рамках международного форума «Чистая вода— 2010» (акт о внедрении результатов диссертационной работы № 01/04124 от 16.05.2013 г.).

5. Методы исследования и результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета и используются при подготовке бакалавров и магистров по направлению 280700 «Техносферная безопасность» и инженеров по направлению 280100 «Безопасность жизнедеятельности» по специальностям 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере» и 280103 «Защита в чрезвычайных ситуациях» (акт о внедрении результатов диссертационной работы от 13.05.2013 г.).

Достоверность результатов исследований обеспечена использованием большого объема репрезентативных данных, отобранных в соответствии с дей-

ствующими государственными и отраслевыми стандартами, критическим анализом большого количества литературных источников и применением современных методов математико - статистической обработки данных, обстоятельной аргументацией принятых допущений и ограничений при разработке методик геоэкологического прогноза опасных природно - техногенных процессов на водосборе и оценке геоэкологического риска истощения и загрязнения водных ресурсов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14 международных, 8 всероссийских и 7 региональных научных конференциях, симпозиумах и семинарах, среди которых: международная конференция «Экологические и гидрометеорологические проблемы больших городов и промышленных зон, Экогидромет 2012» (Санкт - Петербург, 2012); международная научно -технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем». - Уфа 2008 - 2011; международная научная конференция «Сахаровские чтения: экологические проблемы XXI века» (Минск, 2009 - 2010); международная научно - практическая конференция «Чистая вода - 2009» (Кемерово, 2009); межрегиональный практический семинар: «Актуальные проблемы охраны поверхностных вод» (Уфа, 2012); российско - немецкий семинар "Aktuelle wissenschaftliche und methodische Leistungen im Bereich Wasserressourcenmanagement" (Уфа, 2009); VII mezinarodni vedecko - prakticka conference «Dny vedy - 2012» (Прага, 2012);V международная научно - практическая конференция «Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии» (Челябинск, 2012); международный научно - практический семинар «Karlsruher Flussgebietstage 2011» (Карлсруэ,

2011); всероссийская молодежная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009); IV, VII всероссийская зимняя школа - семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы в науке и технике» (Уфа 2009,

2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 работ, в т. ч. 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен патент на изобретение РФ (№2461028 от 1