Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Информационно-методическое обеспечение регионального экологического мониторинга для задач управления качеством атмосферного воздуха

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Информационно-методическое обеспечение регионального экологического мониторинга для задач управления качеством атмосферного воздуха"

^ л

J •.' \ На правах рукописи

\

КИРЬЯНОВ Дмитрий Александрович

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕГИОНАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА

03.00.16-Экология

Автореферат

циссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Пермь-1997

Работа выполнена в Пермском государственном техническом университете, научно-исследовательском клиническом институте детской экопатологии.

Научные руководители:

академик РАЕН, доктор медицинских наук, профессор ■ доктор физико-математических наук

Зайцева Н.В. Гитман М.Б.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор технических наук

Абдулаев А.Р. Никулин В.А.

Ведущая организация:

Пермский государственный университет

Защита состоится " 24 " декабря 1997 г. на заседании диссертационного совета К.063.66.13 в Пермском государственном техническом университете (614600, ГСП-45, г. Пермь, Комсомольский проспект 29-а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного технического университета.

Автореферат разослан "21 "ноября 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор медицинских наук

Пушкарева М.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Экологическая ситуация в целом по России, и особенно в отдельных, про-мышленно развитых регионах, в совокупности с современным уровнем развития информационных технологий сделала крайне необходимой и одновременно возможной создание единой территориальной системы экологического мониторинга (ЕТСЭМ).

ЕТСЭМ создается для осуществлен!« информационной поддержки управления экологической обстановкой, для повышения эффективности природоохранных мероприятий. В этой связи наиболее актуальными являются работы, связанные с созданием подсистемы источников антропогенного воздействия на окружающую среду. Разработка и внедрение подсистемы может одновременно явиться и наиболее эффективным вложением средств, поскольку управленческие решения, принимаемые относительно источников загрязнения, дают наиболее быстрый и ощутимый результат. Об этом, в частности, говорится в работах Медведева В.Т., Ращупкина К.В.

Данная научно-исследовательская работа выполнялась в развитие Постановления Правительства Российской Федерации от 24.11.93г. №1229 "О создании Единой государственной системы экологического мониторинга'', Постановления Администрации области от 15.02.94 №48 " О координации работ по экологическому мониторингу" и Постановления Администрации области от 9.11.95 №338 "О системе экологического мониторинга на территории области", скоординирована в целевых комплексных программах, в т.ч. федеральной "Экологическая безопасность Урала" на 1988-2000 гг.

Приказом министра охраны окружающей природной среды и природных ресурсов от 07.03.96 № 87 Пермская область включена в число базовых экспериментальных областей по отработке принципов и методов управления природоохранной деятельностью на территориальном уровне. Этим же приказом утверждено положение о ЕТСЭМ области и перечень задач, решаемых в области при ее создании. В соответствии с "Положением о системе экологического мониторинга на территории Пермской области" подсистема источников антропогенного воздействия относится к базовым и, таким образом, обеспечивает сбор, хранение и обработку информации, которая

может лежать в основе целого комплекса мероприятий: собственно природоохранных, архитектурно-планировочных, медико-санитарных и пр.

Вопросы разработки математического, информационно-программного и методического обеспечения регионального экологического мониторинга рассматривались в работах Тищенко II.Ф., Маренковой 'Г.М., Марьиной Н.В., Медведева В. Г., Покровского О.М., Ращупкина К.В. и других авторов.

Вместе с тем такие вопросы как обоснование программ мониторинга на основе предварительной обработки информации с использованием методов математического моделирования, разработка научно-методических основ функционирования подсистемы, учет влияния загрязнения атмосферного воздуха на состояние здоровья населения, проживающего в зоне воздействия, использование показателей здоровья в качестве критериев при организации мониторинговых исследований остаются практически не разработанными.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью работы является разработка математического, информационно-программного и методического обеспечения регионального экологического мониторинга для задач управления качеством атмосферного воздуха с учетом критериев здоровья населения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1.Выявить закономерности формирования аэрогенных нагрузок на территорию и население для последующего определения приоритетов.

2.0босновать принципы построения и общую модель многоуровневой системы мониторинга аэрогенного воздействия на территорию и население.

3.Установить порядок сбора и обработки первичных данных для формирования структурно-информационной модели системы мониторинга в пространственно-временном распределении показателей.

4.Разработать и апробировать математическое, критериальное, методическое и информационно-программное обеспечение системы мониторинга, в том числе на основе автоматизированных рабочих мест (АРМ).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЙ.

- предложены принципы построения и функционирования иерархической системы мониторинга атмосферного воздуха;

- предложена система критериев выделения региональных, территориальных и индивидуальных приоритетов (территории, факторы, виды заболеваемости);

- разработаны принципы ранжирования и кластеризации элементов территории; предложены критерии по оценке сходства и различия территориальных элементов по уровню химических аэрогенных нагрузок; предложены принципы, критерии и алгоритм определения маркерных веществ в системе мониторинга, на основе функционально-структурного анализа действующих технологий с применением теории нечетких множеств;

- выявлены закономерности формирования патологических изменений ла-бораторно-клинического статуса организма как результат повышенной ксенобиальной нагрузки и предложены критерии для оценки степени кумуляции вредных веществ в организме в системе индивидуального мониторинга на основе многомерного статистического моделирования.

ДОСТОВЕРНОСТЬ

Достоверность основных научных положений и полученных результатов подтверждается удовлетворительным соответствием результатов, полученных при решении задач, с использованием предложенных в работе методов, с решениями других авторов, результатами проведенных натурных исследований и известными экспериментальными данными.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные подходы и методы явились основой рациональной организации мониторинга атмосферного воздуха с учетом влияния на здоровье населения и территориальных особенностей. Результатом применения разработанных методов на примере приоритетных (по медико-экологической ситуации) территорий Пермской области являлось создание территориальных систем экологического мониторинга, определение эффективной стратегии проведения природоохранных мероприятий, построение оптимальной схемы натурных наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, оценка состояния

здоровья населения и окружающей среды но медико-экологическим кр!ггериям и прогнозным показателям, формирование программ медико-экологической реабилитации населения.

Материалы диссертационной работы внедрены в виде документов: •Концепция создания и функционирования единой территориальной системы экологического мониторинга Пермской области. Пермь, 1995г.

•Сборник организационно-распорядительных и методических документов по вопросам организации и ведения социально-гигиенического мониторинга санитар-но-эпидемиологнчсской службы, Пермь, 1996 г.

•Основные мероприятия для обеспечения создания и функционирования единой территориальной системы экологического мониторинга Пермской области. Пермь, 1995 г.

•Государственный доклад "О состоянии окружающей природной среды в Российской Федерации в 1994 г.". Москва, 1995 г.

Материалы диссертационной работы внедрены в практику деятельности Минприроды РФ, в том числе региональных комитетов охраны природы и центров Госсанэпиднадзора (Тюмсньоблкомприроды, Пермский областной центр Госсанэпиднадзора) внедрены 5 сертифицированных программных разработок в виде АРМов:

- по расчету максимально-допустимой нагрузки факторов загрязнения окружающей среды на здоровье населения;

-по анализу зависимости показателей здоровья населения и факторов загрязнения ОС;

-по расчету экономического ущерба от повышенной (экологически обусловленной) заболеваемости;

-аналитической системе принятия решений о приоритетности природоохранных мероприятий (сертификат сер.Э№ 6);

-по вводу и обработке информации о качестве атмосферного воздуха (сертификат сер. Э № 4).

Материалы диссертации использованы в виде методических указаний в учебном процессе и при подготовке дипломных работ студентов на кафедре охраны окружающей среды Пермского государственного технического университета (акт внедрения № 123 от 9.09.97).

Материалы диссертационной работы использованы при подготовке следующих 12 справочно-информационных документов:

•Медико-экологический атлас Пермской области.Пермь,1994, 67с.

•Справочно-информационные материалы для руководителей местных администраций, принимающих решения в области управления территориями, охраны окружающей среды. Пермь, 1994, 187 с.

•Справочно-информационные материалы для руководителей Пермской городской администрации, принимающих решения в области управления территориями, охраны окружающей срсды.Пермь,1994, с.70-84.

•Национальные доклады "О состоянии окружающей природной среды в Пермской области", г.Пермь, 1993 г., 1994 г., 1995 г.

•Справочно-информационные материалы "Состояние окружающей среды и здоровья населения г. Перми", г.Пермь, 1995(90 е.), 1996 (100 е.), 1997 (104 е.).

•Сборник "Состояние и охрана окружающей среды Пермской области за 1996 г.", г. Пермь, 1997 г, 100 с.

•Доклады "О состоянии здоровья населения Пермской области" за 1995,

1996 гг.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Материалы диссертации доложены на 7 конференциях международного, республиканского и регионального уровней.

На международных конференциях: "Оценка риска здоровью населения" (Москва - 1995), "Перспективы развития естественных наук на западном Урале" (Пермь-1996). На республиканских и региональных конференциях и семинарах: "Проблемы крупных городов" (Новосибирск-1993), "Экологическая безопасность городов Урала" (Пермь-1994), "Математическое моделирование физико-механических процессов" (Пермь-1996), "Окружающая среда и здоровье" (Казань - 1996), "Экология и жизнь" (Н.Новгород-1996).

ПУБЛИКАЦИИ

Основные положения диссертации изложены в 17 печатных работах.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, 4 глав собственных исследований, заключения, выводов, списка литературы и приложений.

Текст изложен на 126 страницах, иллюстрирован 4 схемами, 15 рисунками, 11 таблицами. Указатель литературы содержит 134 источника, из них 106 отечественных, 28 иностранных авторов.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

•Структуризация аэрогенной нагрузки по степени экологической опасности.

•Модель и алгоритм реализации системы мониторинга атмосферного воздуха.

•Система критериев регионального, территориального, индивидуального

характера.

•Результаты апробации системы мониторинга различных уровней.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований и приведено краткое содержание работы.

В ПЕРВОЙ главе диссертационной работы приведен обзор литературы, посвященной проблемам мониторинга атмосферного воздуха, раскрыты вопросы актуальности создания системы мониторинга, определено место мониторинга атмосферы в системе управления окружающей средой, описаны задачи и принципы организации системы мониторинга.

Организация системы экологического мониторинга атмосферного воздуха является актуальной задачей для любого промышленно-развитого региона. Цель мониторинга заключается не только в сборе информации о текущем состоянии, но и анализе ее для прогнозирования ситуации, выделения территориальных приоритетов, выявления наиболее опасных загрязнителей, а также для оценки степени влияния загрязняющих факторов на состояние здоровья населения, степени кумуляции вредных веществ в организме и составления программ реабилитации территорий и населения для предотвращения негативного влияния загрязнения атмосферы на здоровье и окружающую среду.

Во ВТОРОЙ главе выполнена общая постановка задачи оптимизации системы мониторинга атмосферного воздуха, которая включает актуальность проблемы, оценку существующей системы, концептуальную и математическую постановку.

Задачи, требующие анализа результатов постоянных наблюдений за состоянием окружающей среды и здоровья населения: управление природопользованием и антропогенной нагрузкой; управление инвестированием в природоохранные мероприятия; управление размещением производительных сил; формирование, инвестирование, материально-техническое и кадровое обеспечение программ по медико-экологической реабилитации территорий и населения; и др. В силу этого необходимы различные масштабы решений, источники, методы сбора и анализа соответствующей информации, что обуславливает организацию системы мониторинга в виде совокупности иерархических уровней а)региональный; б)территориальный; ^индивидуальный.

Каждый из рассматриваемых уровней характеризуется собственным набором исходной информации, задачами, субъектами, показателями, критериями и глубиной мониторинга. Однако при этом общая постановка задачи оптимизации мониторинга каждого уровня выглядит идентично.

В концептуальной постановке определены требования, предъявляемые к системе мониторинга, и задачи, решаемые системой мониторинга.

Задача оптимизационных исследований при разработке математического, методического и информационно-программного обеспечения экологического мониторинга для управления качеством атмосферного воздуха представляет собой поиск оптимального решения и формулируется как условно-экстремальная задача:

Определить допустимые уровни вектора Р, характеризующего параметры управления в системе "среда-здоровье", которые позволяют минимизировать некоторый функционал Л[Т] :

ДР]->тт (1)

При этом необходимо выполнение ограничений по затратам на достижение цели, которые не должны превышать заданных значений:

С < 6 (2)

и выполнение функциональных соотношений между параметрами состояния К, параметрами управления N и их характеристиками , О:

Ф[(Ц/,Х,Щ,Щг,Х,<))] = 0 (3)

В ТРЕТЬЕЙ главе описана система мониторинга регионального уровня. Приведены необходимые источники информации, используемые для обоснования

системы мониторинга, описание методического обеспечения и результаты апробирования системы на примере Пермской области.

На региональном уровне мониторинга используются данные но:

- химической аэрогенной нагрузке промышленных предприятий на территорию и население, которые в общем виде представляются в виде вектора:

F(0 = {F1(0;f,(0;-;f.(0}. (4)

где s - количество загрязняющих веществ, выбрасываемых промышленными предприятиями региона.

Вектор F(r) распределен во времени и характеризует массу выбросов загрязняющих веществ с единицей измерения в т/год, кроме того, каждый компонент вектора химических аэрогенных нагрузок характеризуется коэффициентом опасности:

= (5)

- относительной заболеваемости населения региона по отдельным административно- территориальными единицам, которые представляются в виде:

= (6)

где г - количество видов заболеваемости;

Вектор N(0 распределен во времени и характеризует относительную обращаемость населения в лечебно-профилактические учреждения (ЛПУ) в случаях на 1000 человек (сл./1000);

-численности проживающего населения на территориях региона Num(t).

В качестве задач, стоящих перед региональным уровнем мониторинга, выделяются следующие:

1. Оценка территорий по степени экологической аэрогенной нагрузки и уровню заболеваемости населения.

2. Выделение приоритетов (приоритетные территории, приоритетные факторы загрязнения, приоритетные экологически зависимые виды заболеваний).

3. Прогнозирование медико-экологической ситуации.

Для решения поставленных задач применялась теория нечетких множеств, что позволило представить комплексную химическую аэрогенную нагрузку и общую заболеваемость населения в виде нечетких множеств:

соответственно. Здесь Pv{t) = ^,(0/Numt(t)- "давление"у-го загрязняющего вещества на население / й территории, Uj и vfc - функции значимости соответственно у-го загрязняющего вещества и к-то вида заболеваний.

Функция значимости /^характеризуется опасностью у'-того вещества (Wß и определяется соотношением:

= Wt /шах( Wt,W2,..., Ws) (9)

Функция значимости характеризуется экономическими затратами на лечение одного случая ¿-того вида заболеваний (0£):

vt =a/max(ö,,a,..,a) (Ю)

Выбор приоритетных территорий по аэрогенной нагрузке (7), уровню заболеваемости населения (8) и комплексу показателей (7, 8) осуществляется аналогичным образом и основан на расчете индексов ранжирования. Приведем пример классификации двух территорий по степени аэрогенной нагрузки, которые характеризуются нечеткими множествами А] и А 2 ■ Для этого рассчитывается индекс ранжирования:

Н( А{, Л,) = sis;n(Ct), где (11)

ci ='JAP4~Pb'>/dl >J ' Доставляет max|<", -{рп -p2,)/d,\, ßj - функция значимости Рц

!

(или P2j), dJ = тах(р„, Р2 ,), j е [Ü].

При этом если значение у единственно и если signC, ="+", то Л, > А1; если signC, ="-", то А, < Л2. Если значение у не единственно, то определяется q - количество равных по модулю экстремумов (q < .v) и вычисляется

1

Я = Xsl8n . Если Я =0, то Л, = А2; если Я <0, то А, < А2; если Я >0, то А, > Л2.

Рассмотренный метод ранжирования позволил провести сравнительный анализ административно-территориальных единиц Пермской области по комплексу медико-экологических показателей.

Таблица 1

Результаты сравнительного анализа территорий Пермской области

Территория Н/./+/ Ранг Территория Ранг

г.Пермь 0.732 1 г.Кизсл 0,108 23

г.Кунгур 0,769 2 р.Кунгурский 0,044 24

г.Гремячинск 0,480 3 р.Верещапшский 0,097 25

г.Чусовой 0,315 4 р.Частинскнй 0,210 26

р.Чердынский 0,667 5 р.Осинский 0,105 27

г.Лысьва 0,446 6 р.Чусовской 0,038 28

р.Красновишерский 0,444 7 р.Лысьвенский 0,079 29

р.Чернушинский 0,400 8 р.Сивинский 0,105 30

р.Горнозаводский 0,267 9 р.Усольский 0,029 31

р.Нытвенский 0,333 10 р.Бардымский 0,044 32

р.Пермский 0,500 11 р.Куедннский 0,158 33

г.Соликамск 1,000 12 р.Соликамский 0,316 34

г.Краснокамск 1,000 13 р.Ординский 0,014 35

р.Добрянский 1,000 14 р.Еловский 0,002 36

г.Березники 0,315 15 р.Березовский 0,055 37

г.Чайковский 1,000 16 р.Карагайский 0,055 38

р.Октябрьский 1,000 17 р.Уинский 0,002 39

р.Очерский 0,391 18 р.Оханский 0,001 40

г.Ллександровск 0,235 19 р.Кишертский 0,001 41

р.Чайковский 0,289 20 р.Суксунский 0,001 42

р.Ильинский 0,446 21 р.Большесосновский 43

г.Губаха 0,141 22

Результаты, представленные в табл. 1, позволяют выделить приоритетные территории по аэрогенной нагрузке и состоянию здоровья населения.

Выбор приоритетных факторов аэрогенной нагрузки (7) и приоритетных видов заболеваемости (8) основан на двух аспектах:

а) Показатель (7) или (8) считается приоритетным, если он принимает высокое значение.

б) Показатель (7) считается приоритетным, если он оказывает влияние на здоровье населения; показатель (8) считается приоритетным, если он подвержен влиянию со стороны факторов аэрогенной нагрузки.

Рассмотрим первый аспект. Уровни показателей (7) и (8) разбиваются на три класса: высокий, средний, низкий, которые описываются лингвистическими переменными Ау\ А~у, лЗу соответственно (на примере аэрогенных нагрузок):

^тахР -10%-гтахР '^/Р -10% + Р + 10%* /тшР + ттР,+ 10%М

Ю.5/

чтах Р., -10% шах Р.

■ 1/

'/> -10%н-/» + 10%'

.0.5/

(13)

А;-\ %лгхР-10°А + тахР'/Р -10%^/> + 10%; /^¡пА + ттР,+ 10%:| С4)

Рис. I Значения лингвистических переменных

Значение лингвистической переменной (рис. 1) принимается исходя из усло-

4-* тах(//л,) (15)

Второй аспект при выделении приоритетных показателей вытекает из результатов статистического моделирования зависимости заболеваемости от факторов аэрогенной нагрузки. Для этого решалась задача построения и анализа модели множественной регрессии, которая отражает зависимость прироста заболеваемости от присутствия вредных веществ в атмосферном воздухе и имеет вид:

Nl=N*я+IlKJx^RJ~R•|')-^- , где (16)

*

N¡1- - прирост к-то вида заболеваемости (сл./ЮОО чел); -целевой экологически независимый уровень прироста к-го вида заболеваемости (сл./ЮОО чел.); Лу -функция присутствия /-го антропогенною фактора (т в

год/км2); Я/" - критическое

значение функции присутствия /-го антропогенного фактора (т в год/км2); Щ - параметр модели, характеризующий степень влияния /-го фактора на к-п вид заболеваемости.

Функция присутствия для /-го вещества:

Д,(0 = 0-г,)£,('-!) + £,(О, (П)

где щ- коэффициент вымывания-поглощения; ¿/(У- масса выброса /-го фактора, попадающая на единицу площади селитебной территории зоны за единицу вре-

масса выбросов /-го фак-

меии: £,(') = ^(Е^вС) + + ,

тора р-м предприятием; коэффициент воздействия предприятия /-м фактором на селитебные территории; МТ](0 - масса выброса /-го фактора от автотранспорта на

территории за единицу времени. - химически обусловленная дополнительная

масса у'-го фактора (масса вещества, получаемая в результате распада и реакций нестойких химических соединений ); ^ - коэффициент химической устойчивости фактора, 0 <¥^<1.

Экологически обусловленная часть к-го вида заболеваемости (Л^'*) определяется из соотношения:

Л'Г^-^Г (18)

Расчет критических значений аэрогенных факторов производился по формуле:

р> =-^-,гдс (9)

т}

-ч=(12„л/„(/) + л(гдо+А/я/(о)Д1м„(/) + л/7;(,) + л/яд()]-сРеДневзвешс1!»ый коэффициент воздействия предприятий)-м веществом на селитебные территории.

Совокупность параметров , Щ представляются в виде нечетких

множеств:

(20)

которые характеризуют соответственно максимально-допустимую нагрузку на территорию, экологически- зависимую часть заболеваемости, степень влияния факторов на заболеваемость.

Применение рассмотренных подходов на примере г. Перми позволили выделить приоритетные группы болезней, требующие более углубленного анализа на следующих уровнях мониторинга (табл.2), а также определить факторы экологического риска и рассчитать для них максимально-допустимые нагрузки (МДН) (табл.2).

Таблица 2

Целевые экологически независимые уровни заболеваемости детского населения г. Перми (сл./ЮОО чел.)

Показатель Мфон -сл./1000 чел. Значение за 1996 год

N сл./ЮОО чел Мж,%

Болезни костно-мышечной системы 4.426 10.1590 56.43

Болезни мочеполовой системы 21.429 37.7970 43.30

Болезни кожи 61.731 83.6730 26.22

Болезни крови 11.569 18.8570 38.64

Болезни органов дыхания 734.625 747.604 1.74

Болезни органов пищеварения 46.514 70.0260 33.58

Болезни системы кровообращения 5.336 15.0990 64.66

Болезни эндокринной системы 18.237 23.2810 21.66

Врожденные аномалии 10.866 15.7070 30.82

Таблица 3

Факторы риска и величины максимально-допустимых нагрузок (т/год) для г.Перми.

Вещество мдн ; Значение за 1996 год

(т/год) . Всего(т) % снижения нагрузки

Альдегид масляный 31.413 132.181 76.23

аммиак 416.451 1034.548 59.75

ацетон 107.302 136.002 21.10

ксилол 103.201 330.692 68.79

метилметакрилат 0.165 0.174 4.67

ныль неорганическая 58.630 543.698 89.22

сольвент 96.253 117.728 18.24

уайт-спирит 19.360 110.968 82.55

углерод 4-х хлористый 0.166 10.089 98.34

Представленные в таблице 3 факторы риска оказывают негативное влияние на здоровье населения и формируют экологически - зависимую часть заболеваемости. Организация контроля в отношении указанных веществ должна предусматриваться системой территориального мониторинга. Кроме того, рассчитанные значения МДН для г. Перми необходимо использовать в качестве критериев нормирования выбросов.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе решаются задачи территориального уровня мониторинга. Основными проблемами, которые рассматриваются в данной главе, являются: -оценка загрязнения территории; - зонирование территории; - выбор точек мониторинга; - выделение маркерных веществ.

Оценка загрязнения территории проводилась на основе расчета полей мак-сималыю возможных концентраций загрязняющих веществ по стандартной методике ОНД-861. Для этого на территорию накладывается регулярная сетка, в каждом узле которой рассчитывается вектор загрязнений:

^(0 = {^,(0;^2(0;-..;/?9,(0}> (23)

компоненты которого выражаются в долях ПДК загрязняющих веществ.

Выделение зон загрязнений основано иа представлении уровня загрязнения в узле в виде нечеткого множества:

<и>

и применении к ним процедуры кластерного анализа. В качестве меры сходства-различия предлагается применять индекс ранжирования Н(Ая,Аи) = Сг, который определяется по соотношениям (8).

Для решения этой задачи был применен метод "сортировки ближайших центроид" кластерного анализа, который позволяет объединять точки со схожими уровнями функции загрязнений.

Для определения точек мониторинга решается задача поиска узлов у ,в которых обеспечивается максимум функции загрязнений:

у => шах А (25)

о

и плотность населения достаточно высока:

рч = ] утахр!)-10%^тахр!/;°'7/^р-10%4-р + 10%; Утлр^шар^шЛ (26)

[/ '1 Я / Ч I )

где ру - плотность населения в узле у, р-среднее значение плотности населения на территории.

Выбор характерных (маркерных) веществ производится отдельно для каждой зоны загрязнений и размещенной в ней технологии.

Выбросы каждой технологии представляются в виде нечеткого множества:

4 Т^/А (27)

1 "Методика по расчету приземных концентраций загрязняющих веществ от стационарных источников", Гос-

комгидромет СССР, 1987.

" функция значимости у'-го выбрасываемого вещества; ^ - коэффициент химической устойчивости, у] - коэффициент значимости концентраций в точке мониторинга, - коэффициент регулярности выбросов.

В качестве маркерного вещества для ;-й технологии принимается вещество, определяемое следующим соотношением:

ир(^о(и^)). (28)

На базе выполненного кластерного анализа с использованием нечетких множеств для города Перми было выделено шесть зон, характеризующихся повышенным уровнем загрязнений. Это промузел Кировского района, Осенцовский промузел (Индустриальный район), центр (Ленинский и Свердловский районы), Мотовилихин-ские заводы (Мотовилихинский район), Гайвинский промузел (Орджоникидзевский район).

Сопоставление результатов зонирования по комплексной аэрогенной нагрузке и распределения плотности проживающего на территории населения дало возможность определить точки мониторинга загрязнения воздушной среды. Для города Перми было рекомендовано 30 точек для осуществления наблюдений за содержанием загрязняющих веществ в атмосферном воздухе, которые выделялись из условия повышенных загрязнений и плотности населения, превышающей 200 чел./га.

На примере Кировского района г. Перми был проведен анализ действующих технологий (для 13 наиболее крупных предприятий) и выделены 8 маркерных веществ (циклогексанон, меди окись, стирол , пыль неорганическая, оксид кальция, пыль кремния, оксид азота, дибутилфталат), представляющих спектр выбрасываемых соединений (43 вещества) и позволяющих осуществлять оперативный контроль за выбросами промышленных предприятий с определением источника, формирующего повышенные концентрации замеряемых веществ.

ПЯТАЯ глава посвящена обоснованию системы индивидуального мониторинга на основе контроля за содержанием ксенобиотиков в организме. В качестве задач, решаемых на индивидуальном уровне мониторинга, рассмотрены: установление факта накопления ксенобиотиков в организме; оценка влияния содержания вредных веществ на состояние здоровья; оценка долевых вкладов факторов ксенобиальной нагрузки в формирование патологических изменений показателей здоровья с выделением приоритетных, расчет допустимых уровней ксенобиальной нагрузки. Апробация

обоснования индивидуального уровня мониторинга проводилась па примере групп детей, проживающих в Кировском районе г. Перми (в качестве контрольной группы использовались дети, проживающие в экологически чистом районе города).

Для решения поставленных задач использовались данные анализов содержания химических веществ и лабораторно-клиничсских тестов в биосредах контрольной и исследуемой групп.

Представим, рассматриваемые показатели в виде векторов:

= (29)

ТДО-¡7;, (');?;, (');•••; (30)

где = 1,и, - для исследуемой группы; i = л, +1 ,п-для контрольной группы. Решение задачи по оценке накопления вредных веществ в организме прово-дигся с применением теории нечетких множеств. При этом содержание вредных веществ в организме для исследуемой и контрольной групп представляется в виде:

"Ч Vf^Yrm^/f^ (32)

где fj(Fß и fj(Fß функции плотности распределения у'-го фактора для исследуемой и контрольной групп соответственно.

Решение поставленной задачи заключается в сравнении множеств А и А'. Для этого составляются новые нечеткие множества tut , компоненты которых характеризуют достоверность различий между компонентами множеств А и А.

^ 1 + sign(Ä~Ä>) А-~Л'

2 ' IS(A)/ S(A')/

V /п\ /п~п\

+ A-«,

Ш)/ 5(А')/

V А

где А соответствует выборочному среднему значению параметра А, Б(А) соответствует выборочной дисперсии параметра А.

Сравним нечеткие множества / и ? по индексу ранжирования (8): если / > / то А > А - содержание ксенобиотиков в исследуемой группе больше чем в контрольной (спектр химических веществ определяется носителем множества А), если ¡<1 то

А < А А -

содержание ксенобиотиков в исследуемой группе меньше чем в контроль-

Таблица 4

Сравнительный анализ на достоверность различия между содержанием

Вещество Контроль Группа Р

У X

Медь 0,0079 0,0110 0,0468 0,0125 -10,8401 0,0000

Свинец 0,2458 0,1668 0,4125 0,3204 -2,3587 0,0215

Хром 0,0554 0,0402 0,0957 0,0320 -3,6813 0,0006

Цинк 0,3042 0,1619 0,4177 0,2108 -2,2579 0,0275

Формальдегид 0,0085 0,0069 0,0424 0,0695 -2,3712 0,0209

Этилбензол 0,0000 0,0000 0,0057 0,0133 -2,1347 0,0367

Бутиловый спирт 0,0000 0,0000 0,0004 0,0006 -3,4816 0,0012

нои.

Решение задачи по оценке различия содержания ксенобиотиков в биосредах контрольной и исследуемой групп, представленное в таблице 4, позволило установить, что достоверные различия наблюдаются по всем компонентам (наиболее значимые из них по меди, хрому, бутиловому спирту). Таким образом, указанные вещества имеют способность аккумулироваться в организме, что обосновывает необходимость мероприятий по их выведению и первоочередном внимании на территориальном уровне мониторинга.

Решение задачи по оценке влияния содержания вредных веществ на состояние здоровья организма производилось на основе построения и анализа множественных регрессионных моделей, отражающих систему взаимосвязей между лабораторно-клиническими показателями (гемоглобин, лейкоциты, лимфоциты, иммуноглобулины и др.) и содержанием ксенобиотиков в биосредах организма. Вид регрессионной модели задается соотношением:

+ (35)

/-1 у.,»]

где а0, аЬц. - коэффициенты регрессии.

В качестве критерия влияния выступает сумма частных коэффициентов корреляции для факторов ксенобиалыюй нагрузки:

у(Г) = £ я* (36)

1-г

где У(Т) - критерий влияния показателя Г(=0...1); К^ - квадрат частного коэффициента корреляции фактора

Оценка дешевых вкладов факторов ксенобиальной нагрузки в формировании патологических изменений показателей здоровья производилась по показателю квадрата частного коэффициента корреляции фактора К* . В таблице 5 представлены

результаты моделирования зависимости лабораторно-клинических тестов от содержания ксенобиотиков в биосредах организма.

Таблица 5

Результаты моделирования зависимости лабораторно-клинических тестов

Показатели здоровья Влияющие фак- & . Ь{±е Р

(тест) торы (с-ошибка)

Эритроциты Свинец 0,34 -0,87+0,2 0,0002

Марганец 0,1 12,66±4,17 0,0049

Бензол 0,1 0,55+0,21 0,0165

Гемоглобин Бензол 0,1 11,98+5,68 0,04

Толуол 0,08 21383,1+12388 0,05

Лейкоциты Свинец 0,27 3,68+0,91 0,0003

Марганец 0,09 -40,22± 19,33 0,046

Лимфоциты Цинк 0,12 -15,5+7,43 0,045

Моноциты Свинец 0,29 4,39+1,21 0,001

Т-активные клетки Бензол 0,38 -7387+2842 0,02

Иммуноглобулин М Формальдегид 0,23 1,68+0,67 0,02

Иммуноглобулин А Формальдегид 0,15 2,14+1,1 0,049

Анализ результатов моделирования зависимости лабораторно-клинических тестов от содержания вредных веществ, представленных в таблице 5, позволили сделать заключение, что повышенное содержание тяжелых металлов (свинец, марганец, цинк) в организме активно влияет на состояние общеклинических тестов (эритроциты, гемоглобин, лимфоциты, палочкоядерные, моноциты), содержание вредных органических соединений (бензол, толуол, формальдегид) в организме оказывает негативное воздействие на иммунную систему, что приводит к ослаблению защитных функций, что обуславливает необходимость включения указанных веществ в программу индивидуального мониторинга.

Оценка допустимых интервалов показателей ксенобиальной нагрузки проводилась на основе решения оптимизационной задачи с целевой функцией:

2 = 1>Д >где (37)

Q- комплексная оценка ксенобналыюй нагрузки; коэффициенты весомости каждой переменной. В качестве параметров dj принимаются коэффициенты опасности показателей нагрузки.

Система ограничений представлена в виде:

К,> О, i=l,s; Т,т,„<Т,<Т,^, i~l,r;

Т, = + %,,Т, + + Ъ, ,К, , г, (38)

где Ti;min, Ti;max - оптимальные границы /-го лабораторно-клинического показателя.

Для оценки максимально-допустимых и минимально-допустимых уровней показателей ксенобиальной нагрузки ищется вектор К, который определяет соответственно максимум и минимум целевой функции:

Q = шах; Q = ¿</Д, min (39)

Решения оптимизационных задач (39) относительно переменных К позволяет определить оптимальные интервалы показателей ксенобиальной нагрузки Kf'n и К^ах, которые определяют оптимальный клинико-лабораторный статус организма. Сами значения К/"'" и Кгтах выступают, как в качестве критериев по оценке нагрузки отдельных факторов на организм, так и критериев управления, позволяющих формировать схемы и методы по выведению вредных веществ.

Результаты расчета допустимых уровней ксенобиальной нагрузки для детей Кировского района г. Перми представлены в таблице б.

Допустимые уровни ксенобиальной нагрузки

Вещество (мкг/дм3) К min Ктах

Цинк 0,0981 0,392

Марганец 0,0159 0,0451

Бензол 0,000 0,000

Толуол 0,000 0,000

Формальдегид 0,000 0,0272

Этилбензол 0,00152 0,00607

Таблица 6

Проведенные расчеты позволяют установить нормативное содержание химических веществ в организме, не вызывающее негативных изменений лабораторно-клинического статуса.

выводы

1 .Предложенная иерархическая моногоуровневая система мониторинга атмосферного воздуха позволяет рационально организовать контроль за уровнем химических аэрогенных нагрузок с учетом влияния загрязнений на состояние здоровья населения.

2.Методы математического моделирования взаимосвязей в системе "среда-здоровье" с использованием теории нечетких множеств на основе данных мониторинга атмосферного воздуха позволяют оценивать и прогнозировать медико-экологическую ситуацию.

3 .Разработанная система критериев оценки степени химической нагрузки на атмосферный воздух и ее влияния на состояние здоровья населения позволила решить задачи по обоснованию приоритетов на различных уровнях мониторинга.

4.Применение методики расчета маркерных веществ позволяет оптимально формировать программы натурных наблюдений с учетом действующих технологий.

5.Предложенные методы математического моделирования на индивидуальном уровне мониторинга позволяют оценить влияние ксенобиальной нагрузки на ла-бораторно-клинический статус организма и выявить экологические факторы воздействия, в отношении которых необходимо разрабатывать медико-реабилитационные технологии.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Комплексная медико-экологическая оценка территорий Пермской области по критериям здоровья населения// Труды региональной конференции-семинара "Проблемы крупных городов", г. Новосибирск. 1993. С. 27 (в соавт. с Зайцевой Н.В., Гельфенбуймом И.В. и др.).

2. Медико-экологический атлас Пермской области//г. Пермь. 1994. 67 с. (в соавт. с Зайцевой Н.В. и др.).

3. Состояние здоровья и анализ взаимосвязей в системе "Среда-здоровье населения" на экологически неблагополучных территориях// Материалы региональной научно-технической конференции "Экологическая безопасность городов Урала", г. Пермь. 1994. С.35-38, (в соавт. с Зайцевой Н.В., Пушкаревой М.В. и др.).

4. Состояние окружающей среды и здоровья населения г. Перми// Сб. информационно-справочных материалов, г. Пермь. 1995. 98 с. (в соавт. с Зайцевой Н.В., Май И.В. и др.).

5. Применение экспертно-аналитических систем при обосновании принятия управленческих решений в области охраны окружающей среды// Материалы международного семинара "Оценка риска здоровью населения", г. Москва. 1995. С. 59-73. (в соавт. с Зайцевой Н.В., Май И.В.).

6. Медико-экологические аспекты здоровья населения Пермской области// Тезисы международной конференции "Перспективы развития естественных наук на западном Урале". Т.2. г. Пермь. 1996. С.158-159, (в соавт. с Зайцевой Н.В., Пушкаре-вой М.В. и др.).

7. Применение статистических методов для расчета допустимых нагрузок на здоровье населения// Тезисы международной конференции "Перспективы развития естественных наук на западном Урале", т.2. г. Пермь. 1996. С.160-161.

8. Определение маркерных веществ для контроля за, состоянием атмосферного воздуха// Тезисы всероссийской конференции молодых ученых "Математическое моделирование физико-механических процессов", г. Пермь. 1996. С.66-67.

9. Экспертно-аналитическая система для управления природоохранной деятельностью территорий по критериям здоровья населения// Тезисы решональной научной конференции "Окружающая среда и здоровье", г. Казань. 1996. С.51-52. (в соавт. с Зайцевой Н.В., Май И.В.).

Ю.Состояние окружающей среды и здоровья населения г. Перми в 1995 г.// Справочно-информационные материалы, г. Пермь. 1996. 100 с. (в соавт. с Зайцевой Н.В. и др.).

11. Медико-экологические проблемы на урбанизированных территориях Пермской области// Труды I научно-практической конференции "Экология и жизнь", г. Н.Новгород. 1996. С. 7, (в соавт. с Зайцевой Н.В., Пушкаревой М.В. и др.).

12. Комплексное определение антропогенной нагрузки на водные объекты, почву, атмосферный воздух в районах селитебного освоения // Методические рекомендации. г. Москва. 1996.41 с. (в соавт. с Зайцевой Н.В., Шуром П.З. и др.).

13. Унифицировашпле методы сбора данных, анализа и оценки заболеваемости населения с учетом комплексного действия факторов окружающей среды // Ме-

тодические рекомендации, г. Москва. 1996. 35 с. (в соавт. с Зайцевой Н.В., Шуром П.З. и др.).

14. Экспертно-аналитическая система для управления природоохранной деятельностью территорий по критериям здоровья населения// Тезисы докладов региональной научной конференции "Окружающая среда и здоровье", г. Казань. 1996. С. 51-52 (в соавт. с Зайцевой Н.В., Май И.В.).

15. Экологически обусловленная заболеваемость как критерий управления природоохранной деятельностью на территории // Тезисы докладов международной научно-технической конференции "Экологические проблемы промышленных зон Урала", г. Магнитогорск. 1997 г. с. 20. (в соавт. с Пушкаревой М.В., Гимервертом ДА.).

16. Региональные аспекты здоровья населения Пермской области: анализ, тенденции, прогноз// Бюллетень НИИ СГЭиУЗ им. Н.А. Семашко, г. Москва. 1997. С. 129-132.

17. Применение нечетких множеств и оптимизация в условиях неопределенности при решении некоторых задач индивидуального мониторинга // Деп. в ВИНИТИ № 3174-В97 от 29.10.97 (в соавт. с Гетманом М.Б.).

Сдано Б печать 20.11.97 г. Формат 60x84/16. Объем 1 уч.—изд.л. Тираж 100. Заказ 1194. Ротапринт ПГГУ.