Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Выбор стратегии восстановления пресноводных водоемов на основе теории нечетких множеств

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Выбор стратегии восстановления пресноводных водоемов на основе теории нечетких множеств"

од

На правах рукописи

ФРОЛОВА ЛЮДМИЛА ЛЕОНИДОВНА

ВЫБОР СТРАТЕГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРЕСНОВОДНЫХ ВОДОЕМОВ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ

11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

КАЗАНЬ 1996

Работа выполнена в лаборатории оптимизации водных экосистем экологического ф: культета Казанского государственного универси гета им.В.И.Ульянова-Лешша

Научные руководители -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор В.М.Емельяпов,

кандидат биологических наук, доцент Н.М.Мингазова

заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Н. А.Николаев,

заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор биологических наук, профессор Р.П.Наумова

Ведущая организация: Институт экологии природных

систем АН РТ

Защита состоится декабря 1996 года в 14 час. на заседании диссертационного совета К 063.37.06 при Казанском государственном техно логическом университете ,по адресу: 420015, Казань, ул.К.Маркса, 68, зал заседанш Ученого Совета.

Отзыв в одноь< экземпляре, заверенный гербовой печатью, просим направлять по ад рссу: 420015, г.Казаиь, ул.К.Маркса, 68, КГТУ, Ученый Совет.

С диссертацией можио ознакомиться и библиотеке технологического университета.

/Г

Автореферат разослан ^ " ноября 1996г.

Ученый секретарь

дкссергацношюго совета, .

кандидат технических наук '■)}/ "V' З.Ш.Килеева

" f-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В последние годы загрязнение водоемов и их эвтрофирование становится одной из наиболее актуальных проблем охраны водных ресурсов. Эта проблема характерна для многих стран мира, в том числе н для России. С целью восстановления выполнено обследование большинства озер и водохранилищ США, Канады и Западной Европы. В наше» стране ор/ ализованно эта работа не осуществлялась, хотя по ряду водоемов проводятся наблюдения и восстановительные мероприятия.

Выбор эффективной технологии восстановления пресноводных водоемов - один из рациональных и падежных путей восстановления окружающей природной среды. Под восстановлением понимается совокупность мероприятий и способов, проводимых на водоеме и на водосборе, направленных на качественное изменение его состояния.

В настоящее время проблема восстановления загрязненных водоемов решается методом субъективных оценок на основе опыта и интуиции экологоз. Известно также, что выбор способов восстановления определяется ориентировочными пороговыми значениями показателей состояния водоемов. Пороговыми являются значения показателен, при которых возможно применение способа восстановления. Точное определение пороговых значений показателей является очень трудной задачей для выбора восстановительных мероприятий, так как при этом необходимо учитывать действие разнообразных факторов на водоем, который сам, в свою очередь, является сложной системой. С учетом неустойчивости водного природного объекта и динамичности протекающих п нем процессов, для их описания может быть применена теория нечетких множеств путем введения размытых границ пороговых значений показателей состояния водоема.

Для восстановления водоемов применялись разные способы с неодинаковыми результатами, причем для их выбора не существовало общего метода. В связи с этим, наиболее важной представляется задача разработки научно-обоснованного объективного метода выбора наиболее эффективного способа восстановления на основе теории нечетких множеств для определения стратегии восстановления пресноводных водоемов.

Диссертационная работа выполнена по программе Российской Федерации "Экологическая безопасность России " (1994).

Пели н зялачн псслелочяиия. Целью данной работы является разработка научно-обоснованного метода посстанопления пресноводных водоемов на основе теории нечетких множеств и экспертной системы.

В соответствии с поставленной целью сформулированы следующие задачи: 1. Создание базы данных по состоянию модед, >их пресноводных водоемов и способам их восстановления.

2. Создание базы знаний по применению способов восстановления пресноводных водоемов, зависящие от значений показателей состояния водоема.

3. Разработка метода принятия решений по восстановлению пресноводных водоемов на основе теории нечетких множеств , включая определение вида функции принадлежности измеренных значений показателей состояния водоемов и определение вида функции принадлежности применимости способа восстановления водоемов в соответствии с измеренными -значениями показателей состояния водоема.

4. Разработка экспертной системы на основе метода принятия решений.

5. Оценка эффективности экспертной системы на модельных водных объектах, о качестве которых выбраны озера Кабан г.Казанн.

. НПУ-Г.-;; Г0"НЗПЛ р-.~>гн :

- ьягрзью предложен метод принятия решений па основе теории нечетких >ыо-..гсть пук см Ббгдгикя операции пересечения функции принадлежности применимости способа вогстаковялпгя н функцн:; принздякииогти измеренных значений поктгелгД состсллк;; водоема.

- рмрлботака экспертная система, структура которой содержит базу данных по экологическому состоянию водоема, базу знаний по способам восстановления н модуль логического вызола на основе метода принятия решений с использованием теории нечетких множеств.

Пр-'.'Трч-у;."'!: значимогл. р^'гтгм. Разработанная экспертная система позвольег получить конкретные рекомендации по воссгановлгишо водоемов в соотсегсллш с шмерен-нымп значениями показателей. Результант диссертационной работы иенолвзуююл и;;.; экспертизе мероприятии по охра;:.*, поверхностных вод в Департаменте государственною экологического контроля Мшшстсрстс* охраны окру-кагащей Среды п природных рссур-сов Российской фгдграшш.

Осиоопив поло;,:гния диссертационной работы были долоя.ены па Меячдупародном конгрессе "Вода; Экология и технология" (Москва, 1594), па П Конгрессе Великобритании по биотехнологии "Б;о1ес1шо1о;у'94" (Брайтон, 1994), па 1У Международное Ксп^гргшши по биотехнологии (Мельбурн, 1995), на I Республиканской научной конференции "Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан" (Казань, 1995), на

7 Епропгасксм Конгрессе по биотехнологии (Пицца, 1995), на итоговых научных конференциях КРУ (К»1а:>!., I У? 1-1975), па 7 Съезде Гидробиологическое Общества РАН (Казань, №6).

Щ/12ЭЕИШЬ По теме диссертации опубликовано И печатных работ. Из них 1 депи-нирораннал научная работа, 2 статьи ¡1 8 тезисоп на международных, всероссийской и республиканских конференциях.

Cipvirrypi и гГп.см работы. Работа состоит из введения, сени глав, выводов, нршнике-i!Н!1 и списка нспользозаннон лптсрл!урьт. Диссертация пзлоисепа на страницах машинописного текста, включая «^.таблиц, ^^ рисунков. Список пепользозашшй литературы содср:':нт работ отечественных и зарубежных аптороз.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Личл'п прр5лг"п всссг.ч»очлг'?!!'» po«of;'"i. lia осколг лнтерзту! юго анализ» jeu поялсио, что антропогенная зэтрсфикацня водогмоч обратима, по ушк-срсалытого к-лодл \охранения ее последствий нет. Были выявлены 10 оеиовнкх способов, наиболее ч.ило используемые в настоящее тремя и имеющие подо:китсльш,!Й ; 'рфект при восстановлении но-досмоя (табл.1), зависание от значений 14 показателей состояпгш иодегчз, ког^рис крао лепн в табл.2 (Караскк, Сгозбун, 197-1; Шамардина, 1975; Караете, Кондаков, 1976, Онренко, Гяврнлсико, 1978; Лопотко, 1979; Рябов, Снренко, 1942; Аоргенсен, 19'!?; Клал-кер, 1935; Гушлп, Сабо, 1985; wuhok, Стольберг, 19¿.5; Шевцова, 19Ь9; Хенл"р'.он-Селлере, Мврклеид, 1990; Драбкоеа я Др.,1591). Для лхп..гейш:го использования а задач-тгберз способов втедяш их обозначения (Y,Х). В изстояи'се i ргмя sr.êop способов л-акозлелня производится по оркситировопшл?i пороге«;.'» значениям иоказшсдсЦ а>-лолгая водокла (твбл.З), потери« в литературе пригодятся пас пэтгис числа. il то >:.е cjw-'Н точное определение порогов!к значений показателей язз-гтея О'хнь трудно,1! ?,a;i"4i-ii •ыборз вссстгпог.ителъних мероприятии. Для решения сшмугагяшеЗ проблемы Ci via лнтгленч ебтективные предпосылки создания гкеперт.лол системы для гпсорз сго'.ч>5ов •оестанозлсипя, такие как большие масштабы лагропогсипого зптро ¡лфовапиа годе«mi, :гдсстато'Г!!сс количество высслоквали ^линроганлых спсллллнетоп-зколсгсз з длиной -бдясти, гяличлг математических срел/лп для аккумулирования îiiamili y.cncprou, ирего» :итл"пх мероприятия для госстппоглеппл гздоемоз. .

Côiе.\тп?ш последевзлия гыбрзпп загрязненные озера Ксбзп г.Казани. Эти тпличи: и 1рес::сгод:п'г водоемы умеренных кнрот ЕзропелсксЛ 'клети, из которых г/озодлтея j-.ee-ие-гсвителькыг мерспрлятпл, могут р-еемзтрлвзтгея лат; модельные.

•яп гЛСаз-пм состоят ¡я трех замкнутых годоемоз: Верхний Кабзп, Средний Кзбпи я Ни:::-л-л ;Слб"н. Плсипдь годного зеркала озер соответственно рэви1 2<-?0гд, И0-119га, 55-9га; средняя тл\бллз около б,5м, мпкелмалвная глубина - 10м, 23,5мм 12м. Озерз рас-

Таблица 1

Способы восстановления водоемоа

Способы Краткая характеристика Процесс влияния Обозначение

Дэрация Искусственное увеличение содержания кислорода в воде Повышение содержания кислорода VI

Отвод воды из гиполим-ниопа Удаление воды из слоя, расположенною ниже слоя температурного скачка, обычно богатого биогенами и бедного кислородом Снижении содержания биогенных элементов \2

Осаждение ({юсфора Осаждение фосфора сульфатом алюминия в слабо проточных водоемах Снижение содержания фосфора УЗ

Удаление донных отложений Удаление вычерпыванием или средствами гидромеханизации ИХ'ШШКОО донных отложений, приводящих к поступлению фосфора Снижение содержания фосфора У4

Экранирование донных отложений Изоляция дойных отложений материалами, не содержащими загрязняющих и биогенных веществ Снижение содержания биогенных ЭЛСМС1П011 У5

Создание проточное™ Разбавление озерной воды вновь поступающей водой Снижение содержания биогенных элементов Частичное вымывание донных отложений У6

Химические методы удаления циансбактс-р;и; Впссснке альшцадов в водоемы технического назначения Замедление размножения цианобактерий (спнсзелены.ч водорослей) У7

«Физические методы удаления цнаио- бактерии Уменьшение проницаемости воды для солнечного света или механическое изъятие цпакобактерш! Замедление размножения цнанобактсрий Снижение количественных показателей цианобактернй У8

Создание биоцлатсиз высших водных растений Разложение нефтепродуктов, фенолов, и некоторых других соединений, токсичных для гидробиоатов, бактериального населения зарослей Уменьшение концентрации токсических веществ Сиихсение содержания биогенных элементов У9

Создание б-.юплато из моалмскоп Осаждение взвешенных веществ Увеличение прозрачности Осаждение взвешенных веществ У10

Таблица 2 •

Показатели состояния водоема

Показатель Единица измерения Обозначение

Средняя глубина водоема м XI

Тодшпиа донных отлол;еиип м Х2

11ло[цад]. зарасгання % ХЗ

Извещенные вещества мг/л Х4

Прозрачность м Х5

Аммонийный азот, N114 мг К/л Хб

Азог ннтритон, N'0; мг К/л Х7

Азот шнратоо,КО; мг К/л XX

■Роефор оргофосфатов, РО^" мг Г/л ХУ

Кислород "о насыщения хю

Биомасса фитопланктона мг/л XII

Пс(Ьть и нефтепродукты мкг/л Х12

Фенолы мкг/л Х13

СПАВ мкг/л XI4

!10Л0::<сны а черте миллионного города и испытывают сильное антропогенное воздспс!; и,-Загрязнение водоемов, в союзном, осушал влявтеа сго'шымп' золами пргчпрччгии (Средний и Нижний Кабан), через ливневую канализацию (Средний ¡1 Пиллши К.-а'ап!, по-герхиостнмм стоком с фермы (Верхний Кабан). Качество соли озер по состоят!'» ;п 19'>5г .характеризуется поп'пленным содержанием ипогсгашх элемент о:;, напряжяты?« и:с.п>-родчым режимом у дна ц попмгасшшч содергситсм кислорода в петгр'игэтщгх сяочх доли, загрязненным слоем дотшх отлогтссиий . С 1981г. но 1£.'?5г. на озера;; Ни-чшн! и Средний Кабан применялись такие способы г.осстапсллсния как лераиня, создание прн-точности, удаление лошшх отяс;г«шй. На озере Перхпни Кг бен гогеттнелггп |»:с м-ро-прпятпл по применялись. Динамика показателе') состояния зпдее.мез для озер Хз&ш приведена на рас.1. Как гцзпо из рисЛб и 1в, для озер Средний н ИтнтЯ Кгд'ап проагд'-'нне азрации и создание проточиосги с 1931г. но 1933г. имеют вллогштсяьшдй т^фгкт для :ко-лспгеского состолния озер: увеличилось каст пленке лодм кислородом, уменьшилось о дерлез.ннг бпохеппых элементов. 3 последующие годы, хотя и про годилось удхчеии« лоциях отло-ксиин, но частые аггрийпие сбросы сто'ли.« код ирнгсля к ухулшетия ;колсппгского состояния озер. Интегральная сагнг.а ка.лест'дл годи озер преледенз ко рзогего?«у показателю л комплексной экологической клгсснфигдлнл калсетгл погерхнеег-И1Х год сущи (Окс.пок и др.,¡993) гга рнс.2. Я настодше; гр:т озерл Верхний, Ср'лннн л

Прозрачность,! см I

Кислород I у дна, % !

Аммоний,ыг/л, | 10-1 | Нитраты,мг/л 1

Нитриты,мг/л, ! 10-2 I

-----Ортофосфаты, 5

_мг/л, 10-2__;

1982 1983 1992 1993 1994 1995

Восстановительные мероприятия не применялись а) озеро Верхний Кабан

Отведение части Нет Удаление донных отложений

хоз.-фек. стоков / "

Аэрация,проточность

6) озеро Средний Кабан

120 • 1 ----Прозрачность,см

100 .......Кислород у дна,а/и

КО • * • - • А мм о н и Л ,м г/л

60 —— Нитраты, мг/л

40 20 0 --1 " 1 1' ~-1 - * ......— Нитриты, мг/л, ' 10-2 .». -Ортофосфаты, мг/л , 10-2

1531 1352 1933 1934 1935 19«й 1938 1992 1593 1954 1995

Прсираииицс Удалите донных от* Цет

сром-сгоии яонхаий д _

Азрацм.проточцасть < 1 ^ Е- \

в) .озеро Нижний Кабак

£Ч;с.1 Динамика показатели» состояния озер Кабан

Аварийные сбросы сточных вод -

Аварийные сбросы сточных вод

а) озеро Верхний Кабан

Слабо загрязненная Достаточно чистая

Г?

4 «— 3 г 2|1

1 -О --1932

Восстановительные мероприятия не применялись

1992

¡993

т\

1995

б) озеро Средний Кабан

Умеренно загрязненная Слабо загрязненная Достаточно

чистая Ннолнечистая

6 5 4 3 2 1 О

1531 1582 .1933 1938 1592 1993 199 1 3995

з) озеро Нижний Кабан

,нльно загрязненная ~ Умеренно загрязненная б 1чабо загрязненная Достаточно чистая

вполне чистая

5 4 3 21-

1С31 1Г82 1533 ¡935 ¡935 1ГГ5 1923 1«2 1С9Э 19« 1995

\

\ Применение восстал пи-

тел ь» их мероприятий

Рис. 2. Динамика ранговых показателен качества поди озс,> Ка(Ь.н

Нижний Кабан но качеству воды относятся соответственно к категории "слабо загрязненных", "умеренно загрязненных" и "сильно загрязненных", нуждаются в восстановлении. Б то же время проведение работ непосредственно на озере предполагает, что сопутствующие мероприятия проводятся на всем водосборе. Для озер Кабан необходимо проведение следующих мероприятий на водосборе: ликвидация всех видов сточных вод; отведение выпусков ливневой капалнзашш па очистные сооружения; расчистка прибрежной н мелководной зоны озер от мусорных свалок; восстановление родников; улучшение водообмена за счет углубления проток; создание водоохранной зоны.

3. Метод гр:п;кгнн рш'.чн.ч isa пп:;п;е теории исктстч- множеств дли поесчано.ч.чеш::;

3.1. Функции принадлежности применимости способов сосапан'оелгния, засйсящис от пзкизитс.ы cocmonsíim содссмз. Пороговые значения показателей состояния водоема рас-смафиваются как нечеткие числа. Нижние н верхние границы показателей введены rio комплексной классификации качества поверхностных вод суши (табл.3).

Таблица 3

Граничные и пороговые значения показателей состояния водоемов

Пороговое значение 1 Пороговое значение 2

Способы Пока- Нижняя Порог Верхняя Нижняя Порог Верхп.яя

затели граница >= граница граница 5= граница

\ Gh

L, G,. Ь н,. Он

YI XI0 - - 40,0 70,00 90,0

Y2,Y4.Y5,Y6,Y9 Xf. 0,30 2,50 5,00 - - -

Y2,Y4,Y5,Yó,Y9 X7 0,01 0,05 0,30 - - -

Y2,Y4,Y5,Y6,Y9 XK 0.5(1 2,00 4.00 - - -

Y2,Y4,Y5,Y6,Y9 ХУ 0,03 0,10 0,30 - - -

Y3 ХУ 0,10 0,30 0.60 - - -

Y10 X4 10,00 14,00 30.00 50,0 100,00 зсо,(Л

Y9 X4 20,00 50.00 300,00 - -

Y9 XI3 1,00 10,00 50,00 - - -

Y9 X3 - - - 5,0 11.00 20.0

Y9 X14 50,00 100.00 500,00 - -

Y9 X12 5.00 50.00 500,00 - - -

Y9 X5 - - - 0,2 0,50 0,7

Y10 X5 0.05 0.10 0,2 0,2 0,55 0,7

YS.Y2,Y3,YH XI 2,00 3,00 4,00

Y4 XI - - - 4.0 3,00 2,0

Y ¡i XI1 10,00 50,00 100,00 - -

Y4,Yft XI1 1,03 5,00 10,00 - - -

Y7 XII 2,00 10,00 30,00 50,0 100,00 120 0

Y4 X2 2.00 3,00 4,00 - -

Y 5 VI "' - - 4,0 3,00 2.0

д-шиоЛ классификации пороговые значети показаtowS .парах i ершу юг nofiy как aip .j иную. Нткние и верите грашшы пороюкмх значений показателей характеризую! яолу ответственно как чистую и грязную, при значении которых применение восстонотпель ix способов необязательно и обязательно.

Отдельный способ восстановления водосмеи, используя термииолопяо нслочьзу.--•го мл ода, назовем альтернативой. Обозначим и:1э;::гсгво алысриагия клк

Y - {У,}, i = 1, п, где п - количеетпо цлыернаткч.

Отдельный показатель состоанпя лодосла в тгрмшюло!пи используемого нетдл >■.:-stu критерием. Обозначим мполч-ство критериев кк:

X = {X;}, j = 1, in, где т - г.олнчеса во цлц'ерисв.

З'леметп мноллеств Y н X силгннл : :;л:ду собой функцн-ми припал (еалюапк '.он,

№(х)

Область нечеткости

Область пслепсостн

Пачаг.ао! фу-н-ци'! припал1; икчесш

I

Iii.

Он

/-.('.V)

Ни

im

могут быть гпк лат;;:,'т. тал и р-ч-д аил л (р:'е.'н. лил . л ä ' > ■■ п; мни : к: лгничосш способа "осскичильано! го;ч\"!1 л > i >•.-<-;j"-ц; со ач oi л;'<• i oaiuui, используемой и члстоаи>ее грсмл* глад! до, а' „■ -о <t • *1, 1 iл' сдул , пушппрчой лш!П-й. Она градст ¡чласт coCoö с;ук -мча лм :\!ллв;-л, о а-лка нош порогов1 гш 1 олкачн, ц aoi opi о; a;i j'icük с ■ ayoriaia <•■■-■-' -г;\. чч 1 он" [ до елмпчни и обрлгю. При ;1л:.оо"е к '-лор ,!а ■•>■ • л " ! ■■ а - и, л и я у ос ica пепгсглкаюл и i- и ч.-ч .е ом о( чул i да а; а и: ли :.

Нечеьлля ¡ауаилкп прана а сг'.нл-пн а вы ер ¡а | "М i Y, i>,> л; ;■> ч i К, • ;■>,<■'.>• са куа vi ааел'чч -> на" л '-осп: oopoi лл г. аддлечч Д Сч и ii.i Да : о.ч;>

I I

цы Ll и Lh для Gl, H l h H л для Gh. В этой области jjr.¡ (xj) меняется монотонно от 0 д< принимая в точках Glh G¡i значение равное 0,5. В общем случае /л\-> (xj) имеет вид: о for х ( L, f(x)L for L, <. x < L„ 'pá*)=-I for L¡¡ (x ( HL (1)

f(x)„ for IIL <x< II „ 0 for X ) H„

В частных случаях она может содержать только возрастающую или только ус вающую часть. Аналитический вид Дх) строится<в виде кубического сплайна: /с-1 3 ,

= I I ¿(x-xj)P (2)

.'=0/7=0

па отрезках [Ll, Gl) и [Gl, Lh] для /i(x) и на отрезках [11ц Gh] п [Gh, H h] Для fz{x), где i 0, к - номер точки, по которой строится сплайн; к - количество точек; р - номер члена г личома. Полученные коэффициенты сплайна позволяют получить значение функции r¡¡: надлехшссти альтернатами для любого значения измерения в области нечеткости nopoi вого значения критерия.

Описанная выше, функция принадлежности альтернативы может быть построена д каждого соответствующего ей критерия.

3.2. Функции принадлежности измерений показателей состояния водоема (Kpumcpuet Функцию принадлежности измерения строим исхода нз того, что она должна: изменять« пределах от 0 до 1 (по определению функции принадлежности нечетких множеств); нме вид нормального распределения (в cimy биологической природы практически ссех крш рнсв); зависеть в явном вида от ошибки измерения (именно ошибка измерения созда нечеткость этого множества н определяет его размер).

Этим требованиям лучше всего соответствует функция, имеющая вид

^(х^е^'Р'«2-^ , ' (3)

где z - измеренное значение критерия X, р - полуширина функции (рис. 4).

Функция (3) снммстри'ша н полуширина ее, то есть половина расстояния меж; точками, в которых функция (3) принимает значение 0,5, равна абсолютной ошибке изм рения. Таким образом, функция (3) опнсысает реальные свойства объекта (измерения кр) теряя), а не его восприятие управляющим субъектом. Функция (3) стремится к нулю nj стремлении х -> + та и х--> - а. Значения функции (3) меньше некоторого значимого уро;

В не влияют на результаты расчетов, поэтому соответствующие значения х пс зчаются из области определения рг(х). На рис. 4 эти точки обозначены 2ь (нижняя гра-1а измерений) и 2н (верхняя граница измерении).

3.3. Выбор и раю/сировапие способов восстановления водоемов по эффективности их менения. Для того, чтобы решить задачу оценки альтернативы (выбора способа) необ-имо совершить последовательный ряд операций над заданными нечеткими множества-

цг{х)

Рис. 4. Функция принадлежности измерения кршерня (показателя)

Основная операция - это нахождение соответствия между альтернативой и измереи-значением критерия. Для этого выполняется операция пересечения нечеткою «нова, описывающего соответствие альтернативы и критерия, с нечетким множеством яения этого критерия. В терминах функций принадлежности операция записываею* лощим образом:

ы(х) -(1г,>(х) П/1г(х), (4)

^.¡(х) - функция принадлежности нечеткого множества, описывающая соответствие

рнатнвы У,- критерию X. Область определения этой функции совпадает с областью

деления функции принадлежности измерения этого критерия (рис. 5),

При наличии га критериев лучшей считается альтернатива, удовлетворяющая ксеы

критериям. Правило опенки альтернативы по гл критериям записывается слел>ю-

эбразом:

¡ьл(") " /'уа("1> о о ... О (¡улы. <>)

Здесь /.¡о,¡(х) - функция принадлежности нечеткого множества оценки альтернат: V, по критериям 1, т; © - называется композиционным правилом.

Композиционное правило определяет содержательный смысл получаемых оцс: аяыернатив. Используем оценки трех типов: минимальную, максимальную п среднюю.

' ^г(х) Способ (алы ерча-

□ шва),

I—, Измерение показателя

1 (критерия), ¡¿¿(х) Г"1 Результат пересечения (оценка)

0,5 ■

0.4

L

iJ-.Г.

2 ' .1 1 5 (, 1 S 9 ': I С I I I : П 1 ■) I 5 16 ! 7 I s 1 S

G Z Н

21 2: 23 М 25 ¿>

Pi'.c. 5. р-ргесчгнпг уушздий принадлежите; н альтернативы и кртсрая

В кзчгстгс оа;рацш| пересечен:!;; иечегрк мне,¡.ecu; выполняемся операция нахож; пня минимума над их функциям:; принадлежи« ..:;:

f4 (:•■) ГЦн0-:)(::„) , /<е(:;>_)) . (6)

/с=1, р

Ь качестве ояграцнн объединения нечетких множеств ¡наполняется операция i ■чоячЧснн» максимуме над пх функциями принадлежности:

(1.) иц2 (::) (fix (:rj , fi2 to) ) . (7)

шгР

П качестве операции усреднении нечетких множеств выполняется операция нахож/ шп среднего арифметического заи^штя над их функциями принадлежности:

/-И 0:.) Sfij О'-) ~ 1/ZQn (■:,:) +р2 <">.) ) ■ (8)

/;--=!, р

I) результате ьыполнення правила (5) получаем три оценочных нечетких множества сооттетстыш с правилами (6), (7), (8). Эш три множества сравниваются по их сце;и Оценкой альтернативы Yi является четкое число D,T, получаемое в результате онеращ йсфадзпфякации нечеткого множества, представляемого функцией нринадлежнос", ¡:;.,t(x). Зд.сь 'Гсоответствует определенному композиционному правилу.

Р> клч;с1во" операции дгфадаифииацин выполняется операция нахождения макспмал

«ОГО функцг.п ПрттЛЛС'КНОСИГ.

Di =■ max(/,(«k)) . (У)

АГ=1,7>

Полученные оценки D, n терминах линпшсшческои переменном нчемг »качения а-laiiajone (0,11 п интерпретируются следующим обратом: [0,0 - 0,2) ■ применение способа •желак-льно, [0,2 - 0,4) - необязательно, [0,4 - 0,6) - не навредит, [0,6 - 0,Х) - желательно, [0,8 ,()| - обязательно.

I) cooiaeicnmii с правилами (6), (7), (Я) и, учшыьая шачении .нннвнетчеокой пере-чшоц, можно дан. содержательную ишерпроглц'по видов оценок, «чражакицих грушю-•и зффекг влияния критериев (показателей) на выбор алыернатнви (cnocuóal.

Минимальная оценка. При значеннях минимальной оценки бо.п.ших 0,6 все кршерин оказагсли) укал,н.аюг на желательное 1Ь выбора данной альтернанты (способа), При аченикх минимальной оценки меньших 0,4 сутестует хот бы одни критерий аказатель) указывающий па необяшелыюсп. выбора альтернанты (снисчн'м).

Михчинпышн оценка. При значениях максимальной оценки больших 0,6 существует та бы один кртерий (показатель) указывающий на желательность вы<">ор а данной аль-знаиты (способа). При значениях максимальной оценки меньше 0,4 псе кртерии сказатели) указывают па необязательноеri> выбора альтернативы (способа).

Средним оценка позволяет ранжировать альтернативы (способы) но скисни зффек-вностн их применения. Наиболее значимым из них присваиваеия высший рагн .

Метод нрмняшя решений для выбора способа иоссп'нонлсння на основе теории теткнх множеств резлизопан экспертной системе "СТАН."

4. Экспертная система "СТАИ" в оП.-аетн чоссыиинт'снии щцччнчш,шы\ водоемов, . Описание экспертной системы "СТАН" (ОС СТАН). ЭС СГЛП, реализованная и виде :монстратниного прототипа", относится к классу простых систем. Это ноаерхностая особна принимать решения в определенных ситуациях), традиционная (iiunviwyci фор-лизованныи набор эвристик, полученных у эксперта) система, г.редпашачепная для рения задачи выбора пз имеющегося набора ьарнатов (способов и показателей) на ГС/Л'Г 1ме:ощая структуру, представленную на рнс.6. Наиболее важными компонентами зке-птюп системы являются база знаний и модуль логического вывода. Еаза знаний счдер-г сведения о пороговых, нижних и верхних границах значений показателей сосюиния ¡оема. Модуль логического вывода использует метод принятия решения на основе ко-i нечетких множеств.

4. 2. Использование экспертной системы 'СТАН". Для выполнения любой щ-ьараммы становления водоемов необходимо выполнить следующую последовательность дей-нй: собрать данные о состоянии исследуемого водоема; ввести дчнные а ó а <у данных ОС

СТАН; оценить репрезентативность данных: ошибка измерения по каждому показателю I дапкна превышать 30%; провести ранжирование способов восстановления для исслед) ь|ого водоема с помощью ЭС СТАИ; проанализировать полученные результаты с и; мощью частных оценок применимости способа восстановления, ссли возникли каккс-лис сомнения; представить заключение ЗС СТАН для реализации его па восстанавливаемо водоеме; установит ь контроль за соблюдением выполнения восстанови гсльпых

Г .од данных

Гсксмеи; :;;лл1 С5ъле>;е;ыл Пе: лелаь 1

Пользователе.

Г<.с. С. Стру.пура ексиертпсЛ с;;етсл:в;

мероприятий, и та;;>,се ¡;о::тродь за состояние;,; водоема. В случае изменения состояния ьо-лаема необходимо иелод;,зевать ЗС СТАИ для корректировки выбора способа восстановления с целью дальнейшего улук^:еплл кочел ва води в исследуемом водоеме.

■13. Рекомендации г.э соса;~:.ос.\спи:е> озер С настоящее время Саза

данных ЭС СТАИ содержит обобщении; длгллле г.е> состоянию езер КаоаП г.Казапн с период с 1931г. по 1555г.: отксспгслг-кза оеинбкг. измерении, в среднем, находится в пределах ¿0%-ЗиГо. Про;едены рлгч.'ш по выбору спсгсбэз сйссталоЕлокля дал озера Никашй Ка-tv.ii ад !<\сг., 1?52-1С;5г.г.; для озера ЕерхпиД Кабан за 1932-1933г.г., 193Кг„

02-1995Г.Г.; для озера Средний Кабан ал lÇ3l-19K3r.r., 198Sr., 1992-1995г. Предло>::ишыг С СТЛН рекомендации и оценки по восстановлению езер Кабан изменяются в ззшеа-эгти от дологического состояния водоемов (табл. 5-7). По состоянию озер па 1995г. для . Еоссгаиоплягая рекомендуется применение следующих способов: аэрация гдпелимлдо-, удаление деяиих оглоале.дил, соадапле бло.лааго на п.чаних водив« расаспнл /для всех ;р; отвод годи из пшолнлн.лонл, создание нроюлностп даа о:ер СреднпГ: и Нижней К" н; оса.-.кдаинг фосфора, создай)« биоплато ил модллоскоа дал оа-р \ Иигзшй Каб-п.

Таблиц i 5

Г'ехочепд'Н.лп по восстановлен:;:;) оасра кер-лав: .'Сабли

Некочендуемие Me оадс елдуечие i'aoB.-HporaniH :а

способа.! СЛОСО'Л ! слоеооп

мналглллвнлч ОИеЛЛ'Л! (максача л :■■;< ' лае) юг-слаа oneuaai

Ранге: ые ло"ааа1елл / волч/ с:

Î С S 2 5/1995 •YI7B2 б/i1 л j op í<¡' 'Y

Y4/U.99 Yà.'iJO) 77' 'Д.7/ '/•'0.: i 7'-Yí)a.'.>

Y 1/0.93 VAO.Ci Y7-'". i Vi, JY'J ЗЧ/Д.УЗ

Yin..;. :-7 \Y л ;,j

Via J. 15 Yc/JYJ YY'0.79

Y 2,' ¡.63 Y Ca!. 6 5

1 YV;)!' Y1:/;)..".

! Y/..JIJ 5 YkY> 13

¡ Y7/la ; УЗ'бл/

7' V Y ...9.1 )

ОД.)

Y7/.Y .)

pj-очалл ai по воваа лд- a o ТачикВ' '' Y; • ;a,Y: Y:a-

спала-- : hY-p "'O.....0. i ' Л ' " , ,7- ■ .

■•Y uro. ' • п a. :aa ааедл 1 iva i : .....

;] ;7|'д:3 а.'Г/ЗЗ ¡o :i : /' i ' " Y. Y/1 6 i: i Y i.:.:; УГ. Y-

(,:> Y'.'lJ Yin.V.í I 7.9.(7) Y76').! í y 7. 9 a ) a/¡.. * y/pi;,: -'."¡.o-.

l.t/i Yb'i.o'j \ д. j г i Y;-Vi).i:-| Y 7. 96 9 |7 U'.'l '71,9 * i 7' 1/! 0!

93 ','5' '.71 У a J.Y.1 '/.Ya!,., ) 7 Y ). i 7 1, 'j;- YY'.j .77 ).?'-

73 7'Г9.;4 YíVO, ':.) Y!(' ) 79 7

У6/Д.91

1' I,).:' Y 717' 7 7.-7 '7

J. .. ____________________ / -, > Y i1

?/)''■ . * : Y?' ' 17

Y.V-).'. ) • д (, : ■,:•'■_! с 1

... .'a ад!ЗУ. Y! Y." • '

Таблица 7

Рекомендации по восстановлению озера Ннжннн Кабан

Рекомендуемые способы (минимальная опенка) Не рекомендуемые оккобы (максимальная опенка) Ранжированные способы (средняя оценка)

Рашовмс показатели / годы / оценки

6/1981 ЗЛУ*?. 7/1УУ5 6/1УХ1 3/1УКЗ 7/1У95 6/1УХ1 ЗЛУХЗ 7/1УУ5

У1/1.00 У4/1.00 УЮ/1 ОС У 7/0.00 У 7/0.00 У7/0.00 У4/1.00 У10/1.00 У4/1.00

У4/1.00 У10/1.00 У4/1.00 У 3/0.00 УЬ/0.00 УХ/0.00 У6/1.00 У4/1.00 УЮ/1.00

У6/1.00 У 1/0.96 УХ/0.00 УЗ/0.00 У1/1.00 У5/0.50 У1/0.У6

У9/1.00 УЗ/0.92 У6/0.00 У9/1.00 У1/0.50 У2/0.У4

УЮ/0.86 У0/0.64 У 10/0.93 У2/0.37 У5/0.94

У:/О.(>4 У5/0.51 У9/0.1У УЗ/0.У2

УУ/О.(>4 V 2/0.34 УЗ/0.00 У6/0.У1

У7/0.00 УХ/0.00 УУ/0.85

УЗ/0.00 У6/0.00 У7/0.00

УК/0.00 У7/0.00 УН/0.00

Создание протсчности позволит снизить концентрацию биогенных элементов в во; Аэрация шполимниона повысит содержание кислорода в придонном слое. Осажден фосфора уменьшит содержание фосфора и иоде. Удаление донных отложений снизит ко центрацшо биогенных элсментоа. Отвод воды из гиполимниона можно считать дополн тельным способом к аэрации, а экранирование донных отложений - к удалению донш отложений. Создание бноплато ю высших водных растений и моллюсков направлено стабилизацию состояния водоема а дальнеГннсм. Реализация вышеуказанных рекомещ цнй по восстановлению водоемов позволит снизить уровень загрязнения озер ka.au.

5. Эффсктирпость экспертной системы. Эффективность экспертной снсте..м провере путем сравнительного анализа выбранных способов, рекомендуемых для восстановлен озер Кабан г.Казани независимыми специалистами-экологами экспертным путем и снос бами, выбранными ЭС СТАН.' Предложенные экспертной системой рекомендации по ы становлению озер Кабан г.Казанн совпадают с мнением эксг.ертов-экологов, а также да1 дополнительные меры, направленные на по.цдержание и стабилизацию экологического с стояния водоема.

ВЫВОДЫ

1. Впервые предложен метод принятия решений для выбора стратегии восстановлен пресноводных водоемов на основе теории нечетких множеств с использованием граничн:

качений, определяющих область нечеткости пороговых значении показателей состояния одоемгт и области нечеткости их измеренных значении как наиболее адекватно описы-aioiHiix экологическое состояние водоема.

2. Разработана экспертная система "СТАН" для восстановления пресноподных воло-чов, структура которой содержит базу данных rio экологическому состоянию родоемоп,1 азу знаний по способам восстановления и модуль логического вывода на основе метода ринягия решении с использованием теории нечетких множеств.

З.Экспершаи система "СТАН" применена для опенки экологического состояния и ябора рекомендаций восстановления озер Кабан г.Казани. По состоянию озер па 1995г. тя их восстановления рекомендуется применение следующих способов: аэрация гшюлим-юна, удаление донных отложений, создание биоплато из высших водных растений для :ех озер; отвод воды пз гиполнмннона, создание прогочностн для озер Средний и Нижний абан; осаждение фосфора, создание бноплато из моллюсков для озера Нижний Кабан.

Список публикаций но теме диссертации. Основные результаты работы изложены в едующих публикациях:

1. Закнров А.Г., Королева Т.Э., Фролова Л.Л. К оценке репрезентативности эколо-ческнх данных. //Казанский мед.ж.. т.73, 1992, N 4, 241-320.С.295-298.

2. Закнров А.Г., Фролова Л.Л., Мингазопа Н.М. Банк данных водных экоснск-м как, тент системы управления состоянием . природной среды. //Материалы научно-актнчсской конференцин "Рациональное использование и прогноз качества водных рейсов республики Татарстан". Казань. -1993,- С.43-44.

3. Frolova L.L., Zakirov A.G., Koroleva Т.Е. The evaluation of dala representation /T he ond UK Congress of Biotechnology ( Biotechnology'94 ). Proceedings of Second Conference Advances in Biochemical Engineering, Brighton, UK., 4-6 July 1994.-P.160-162.

4. Мнигазова H.M., Закиров А.Г., Деревенская О.Ю., Фролопа Л.Л. Банк данных по годам оздоровления озерных экосистем./Матсриалы международного конгресса "Вода: ологпя и технолотя", Москва, 6-9 сентября 1994г., Т.4, 0.1132-1135. ( Minga/ova N.M., kirov A.G., Derevenskaya O.Y., Frolova L.L. Databank of methods for restoration of water systems. / International Congress "Water: Ecology and technology", Moscow, Scptcmhei 6-9, '4, vol. IY, P. 1132-1135).

5. Frolova L.L., Zakirov A.G. Environmental biotechnology and treatment of re*cfvnii ers./Proceedings of 4tli Pacific Rim Biotechnology Conference, Melbourne, AuMrnli.i, (> '■) iruary, 1995, P.94.

6. Фролова Л.Л., Закиров А.Г., Мнигазова H.M., Деревенская О.Ю. Система n<Vi-жки принятия решений по методам оздоровления водоемов. //Тезисы докладов 2 Псе-

российской научно-практической конференции "Антропогенные воздействия и здоровь человека", 1995г., Калуга, С. 110-111.

7. Закиров А.Г., Фролова Л.Л., Деревенская О.Ю., Мннгазова Н.М. К вопросу о со. данни банка данных по методологии оздоровления озер. /Материалы I Республиканско научной конференции. Актуальные экологические проблемы Республики Татарстан. Казань, 1995,-с.222-223.

8. Frolova L.L., Koroleva Т.Е. Stages of estimation of data representation. /Abstacts of 7t Europeen Congress on Biotechnology, Nice, France, 19-23 February, 1995, P.61.

9. Фролова Л.Л., Закиров А.Г., Деревенская О.Ю. Методология выбора технологи восстановления водоемов на основе нечетких множеств. /Вестник Тамбовского универат та, сер.: Естеств. и техн. науки, Т.1, Вып.1,- Тамбов, 1996, с.78-81.

10. Фролова Л.Л., Закиров А.Г., Емельянов В.М., Закнрова М.А. Экспертная систем СТАН для выбора технологии восстановления пресноводных водоемов. //Деп.в ВИНИТ1 N 2608-В96, 1996,- 13с.

11. Фролова Л.Л., Закиров А.Г., Мннгазова Н.М., Емельянов В.М. Использовани экспертной системы СТАН для выбора технологии восстановления озер Кабан г.Казаш /Материалы 7 Съезда Гидробиологического Общества РАН. -Казань, 1996.-Т.2, с.102-106.

Соискатель

Фролова Л.Л.

Заказ

Тираж 92 экз.

Офсетная лаборатория ЮТУ

420015, Казань, К.Маркса, 68