Математичне моделювання впливу техногенних навантажень на екологічні системи

Для більш глибокого вивчення ситуації необхідно визначити просторові кореляції для окремих районів. Це дає змогу простежити, як змінюються величини від одного місця до іншого, виявити закономірності таких розходжень та їх причини. Просторові кореляції можуть розраховуватися по мережі адміністративного чи природного районування. Для переходу до ізолінійного способу зображення слід обчислені значення коефіцієнтів кореляції умовно віднести до центрів відповідних територіальних елементів.

Коефіцієнт кореляції визначається за допомогою, насамперед, графічного методу, коли значення і знак коефіцієнта просторової кореляції визначають за значенням кута, утвореного напрямками найбільших ухилів статистичних поверхонь двох явищ. Якщо кореляційні зв'язки, визначені за показниками, знятими по усьому полю карти, розподілені нерівномірно, то це є підставою для визначення зон чи регіонів ризику проживання населення та їх просторових інтерпретацій у виді карт ізокорелят.

Ізолінійне моделювання кореляційних залежностей та їх візуалізація проводиться в середовищі програмного пакета Surfer32 Golden SoftWare.

У даному розділі пропонується багатовимірний підхід до оцінки екологічногостану території за низкою факторів одночасно, що дозволяє визначити екологічний ризик, пов'язаний із проживанням у даній місцевості.

Розроблено карти екологічного ризику проживання на території трьох районів Житомирської області, що найбільш постраждали від наслідків аварії на ЧАЕС: Лугинському, Овруцькому та Овруцькому (дані по Народицькому району не враховувались). Ризики проживання розраховані за допомогою інтегральних індексів екологічного забруднення сільської місцевості.

У даному розділі подано серію розрахунків медичних і екологічних ризиків проживання в найбільш забруднених у радіаційному відношенні районах Житомирської області та розроблено математико-картографічні моделі просторово-розподілених кореляційних залежностей між інтегральними індексами забруднення і характеристиками стану здоров'я населення, що проживає на цих територіях.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

Уперше запропоновано нову багаторівневу стратегію дослідження складних багатокомпонентних систем за допомогою засобів математичного моделювання, засновану на синтезі можливостей методів багатовимірного аналізу і розмаїття сучасних комп'ютерних способів візуального представлення багатовимірних масивів даних.

У рамках запропонованої концепції моделювання на прикладі великих екологічних систем отримано такі нові результати:

Теоретично обґрунтовано і розвинуто загальну концепцію побудови узагальнених інтегральних характеристик при моделюванні складних систем. Запропоновано алгоритм побудови багатовимірних інтегральних показників техногенного забрудненнябагатокомпонентних екосистем.

Запропоновано новий апарат якісного дослідження складних динамічних багатокомпонентних математичних моделей на базі аналізу поводження рішень систем нелінійних звичайних диференціальних рівнянь. Цей апарат істотно спрощує аналіз великих масивів модельних даних за рахунок проектування (візуалізації) їх структури на площину узагальнених факторів без втрати інформації; дає змогу використовувати класичний могутній апарат якісного аналізу малорозмірних систем (зникає проблема ”прокльону розмірності”); дає можливість візуально оцінити адекватність характеристик, отриманих за допомогою математичної моделі, реальному процесу.

Розроблено спеціальні методи, які розвивають методику верифікації, і вирішена некоректна задача оцінки числових значень параметрів моделі у виді системи нелінійних диференційних рівнянь, що описує процеси кругообігу азоту в Куйбишевському водосховищі.

Розвинуто методологічну основу оцінок екологічного ризику проживання на забруднених територіях за допомогою побудованих багатовимірних інтегральних екологічних індексів забруднення (з урахуванням динаміки основних токсикантів, у тому числі радіонуклідів, у різних ланках екосистеми). Проведено серію розрахунків медичних і екологічних ризиків проживання в найбільш забруднених у радіаційному відношенні районах Житомирської області.

Розроблено математико-картографічні моделі просторово-розподілених кореляційних залежностей між інтегральними індексами забруднення територій і характеристиками стану здоров'я населення, що проживає на цих територіях. Запропоновано математичні методи екологічного районування територій за інтегральними індексами техногенного забруднення.

Створено і проаналізовано за допомогою розробленого нового апарату якісного дослідження багаторозмірних систем наступні математичні моделі аварійних ситуацій природного і техногенного характеру з метою ліквідації їх наслідків:

Процесів кругообігу біогенних елементів у прісноводних водоймах для прогнозування ефективності запланованих водоохоронних заходів щодо показників концентрації неорганічних і органічних забруднень. Отримано оцінки максимально можливих навантажень на Куйбишевське водосховище зі збереженням існуючої структури екосистеми.

Моделі дослідження анаеробних зон і виявлення особливо чутливих параметрів Балтійського моря з визначенням параметрів біфуркацій.

Моделі для перевірки антропогенного характеру виникнення і швидкого поширення сірководневої зони Чорного моря.

Концептуальні динамічні моделі переносу для 18 радіонуклідів (⁸⁹Sr, ⁹⁰Sr, ⁹⁵Zr, ⁹⁵Nb, ¹⁰³Ru, ¹⁰⁶Ru, ¹³¹I, ¹³³I, ¹³²Te, ¹³⁴Cs, ¹³⁶Cs, ¹³⁷Cs, ¹⁴⁰Ba, ¹⁴¹Ce, ¹⁴⁴Ce, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, ²⁴¹Am) для екологічних і дозових прогнозів внутрішнього опромінення від заковтування для усіх вікових категорій населення за умов багатоцільового сільськогосподарського виробництва при аварійних викидах на АЕС. Моделі ідентифіковані за умовами аварії на ЧАЕС.

Динамічні моделі опромінення (зовнішнє, заковтування, інгаляція) від усього спектра одночасно діючих радіонуклідів.

7. Реалізовано автоматизовані процедури візуального аналізу, що дозволяють моделювати в діалоговому режимі і відображати в графічному виді динаміку процесів переносу радіонуклідів, процесів формування доз (зовнішні, заковтування, інгаляція) за визначений період по кожнім радіонукліді окремо і по їхніх сумішах у залежності від заданого складу радіонуклідного випадіння.

Розроблено комп'ютерні програмні засоби для реалізації запропонованої багаторівневої стратегії візуалізації багатовимірних даних (натурних і модельних) з можливостями візуального аналізу і прогнозування розвитку складної екологічної ситуації (у тому числі засобу для створення і корекції спеціальних екологічних карт просторових кореляцій і ризиків проживання).

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

За темою дисертації опубліковано 48 наукових праць, основні з них:

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Системный анализ и математическое моделирование медико-экологических последствий аварии на ЧАЭС и других техногенных воздействий. - К.: ”Медэкол” МНИЦ БИО-ЭКОС, МЧС и НАН Украины. - 2000. - 173 с.

Георгиевский В.Б., Сердюцкая Л.Ф., Фельдман Г.Л. Моделирование чувствительности сезонной динамики экосистемы Балтийского моря // Проблемы исследования и математического моделирования экосистемы Балтийского моря: (Проект „Балтика”). - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - Вып. 3. (Моделирование элементов экосистемы). - C. 9-23.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Многомерный анализ в задачах экологического моделирования // Методы и средства компьютерного моделирования / Cб. научных трудов ИПМЭ НАН Украины. - К., 1995. - С. 16-17.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П., Соломенко Л.Л. Математические оптимизационные модели в задаче минимизации коллективных доз населения в поставарийный период // Электронное моделирование. - 1996. - Т.18, № 1. - С. 85-88.

Serdiutskaya L.F. Dynamic Models of Collective Population Doses // Engineering Simulation, 1997, Vol. 14, № 3. - Р. 465-474.

Serdiutskaya L.F., Kameneva I.P. Multivariate Statistical Analysis in Problems of Environmental Simulation // Engineering Simulation, 2000, Vol. 17, № 2. - Р. 193-204.

Serdiutskaya L.F. Study of Mathematical Models of Environmental Systems Using Multivariate Factor Analysis // Engineering Simulation, 2000, Vol. 17, № 3. - Р. 417-428.

Сердюцкая Л.Ф. Системный подход к визуализации результатов многомерного анализа натурных данных // Электронное моделирование. - 2002. - т. 24, № 3. - C. 85-93.

Каменева И.П., Сердюцкая Л.Ф. Структурное моделирование в задачах эколого-медицинского мониторинга // Электронное моделирование. - 2002. - т. 24, № 6. - C. 107-117.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Многомерный статистический анализ в задачах экологического моделирования // Методы и средства компьютерного моделирования. / Cб. научных трудов ИПМЭ НАН Украины. - К., 1997. - С. 17-19.

Сердюцкая Л.Ф. О некоторых аспектах применения методов факторного анализа в задачах имитационного экологического моделирования // Моделирование и диагностика сложных процессов и систем. - К.: Наукова думка, 1997. - С. 35-40.

Гнатко Е.П., Сердюцкая Л.Ф. Клиническая оценка диагностических и прогностических корреляций при резус-конфликтной беременности // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 3. - Львів: Світ, 1998. - С. 32-40.

Пустовіт Я.А., Артамонов В.С., Гнатко О.П., Сердюцька Л.Ф. Вільно радикальні процеси та склад імунокомпетентних клітин у вагітних з резус-сенсибілізацією // Український науково- медичний молодіжний журнал. - 1999. - № 1-2. - С. 74-77.

Сердюцкая Л.Ф. Некоторый подход к созданию интегрального радиационного индекса загрязнения окружающей среды // Моделювання та інформаційні технології / Збірник наукових праць: Вид-во Інституту проблем моделювання в енергетиці НАН України. - Вип. 6. - 2000. - С. 46-49.

Сердюцкая Л.Ф., Соломенко Л.Л. Факторный анализ как средство визуализации натурных данных // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 9. - Львів: Світ, 2000. - С. 75-81.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Многомерный подход к исследованию адаптационных возможностей организма // Збірник наукових наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип.11. - Львів: Світ, 2001. - С. 119-127.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. О возможностях радиоэкологического картирования и прогнозирования в зоне влияния ЧАЭС // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 14. - Львів: Світ, 2001. - С. 68-73.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. О моделировании адаптационных и бифуркационных экологических процессов // Моделювання та інформаційні технології / Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 13, - К., 2002. - С. 48-52.

Евдокимов В.Ф., Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. О методах экологического моделирования в энергетике // Моделювання та інформаційні технології / Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 18, - К., 2002. - С. 3-12.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Стохастические оценки риска и принятие решений // Моделювання та інформаційні технології / Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 19, - К., 2002. - С. 165-170.

Serdiutskaya L.F. Many-measured Approach to Elaboration of Integral Indexes of Ecological Contamination // Моделювання та інформаційні технології / Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 20, - К., 2002. - С. 60-66.

Сердюцкая Л.Ф., Соломенко Л.Л., Кандзеба А.Ю., Монахов А.Е. О проблемах визуализации экологических баз данных (на примере Житомирской области) // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип.19. - К., 2003. - С. 3-9.

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П. Модели водных экосистем и их фазовые портреты (на примере модели круговорота азота в Куйбышевском водохранилище) // В кн. Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы системной идентификации. - Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - С. 408-419.

Сердюцкая Л.Ф. Многомерный подход к анализу модельных данных на примере водных объектов // Гидробиологический журнал. - 2004. - Т. 40, № 2. - C.104-112.

Сердюцька Л.Ф. Математичне моделювання впливу техногенних навантажень на екологічні системи. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ученого ступеня доктора технічних наук за фахом 01.05.02 - математичне моделювання й обчислювальні методи. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є.Пухова НАН України, м. Київ, 2004.

На основі застосування засобів математичного моделювання вперше запропонована нова багаторівнева стратегія дослідження складних багатокомпонентних систем за допомогою засобів математичного моделювання, заснована на синтезі можливостей методів багатовимірного аналізу і розмаїття сучасних комп'ютерних способів візуального представлення багатовимірних масивів даних. Теоретично обґрунтована і розвинута загальна концепція побудови узагальнених інтегральних характеристик при моделюванні складних систем. Запропоновано алгоритм побудови багатовимірних інтегральних показників техногенного забруднення багатокомпонентних екосистем. Запропоновано новий апарат якісного дослідження складних динамічних багатокомпонентних математичних моделей на базі аналізу поводження рішень систем нелінійних звичайних диференціальних рівнянь. Цей апарат істотно спрощує аналіз великих масивів модельних даних за рахунок проектування (візуалізації) їхньої структури на площину узагальнених факторів без втрати інформації. Розроблено комп'ютерні програмні засоби для реалізації запропонованої багаторівневої стратегії візуалізації багатовимірних даних (натурних і модельних) з можливостями візуального аналізу і прогнозування розвитку складної екологічної ситуації (у тому числі засобу для створення і корекції спеціальних екологічних карт просторових кореляцій і ризиків проживання).

Ключові слова: математичне моделювання, багатовимірний аналіз даних, техногенні забруднення, інтегральні показники, багатокомпонентні системи, екологічні системи, екологічні ризики.

Сердюцкая Л.Ф. Математическое моделирование влияния техногенных нагрузок на экологические системы. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е.Пухова НАН Украины, г. Киев, 2004.

На основе применения средств математического моделирования впервые предложена новая многоуровневая стратегия исследования сложных многокомпонентных систем с помощью средств математического моделирования, основанная на синтезе возможностей методов многомерного анализа и многообразия современных компьютерных способов визуального представления многомерных массивов данных.

Теоретически обоснована и развита общая концепция построения обобщенных интегральных характеристик при моделировании сложных систем. Предложен алгоритм построения многомерных интегральных показателей техногенного загрязнения многокомпонентных экосистем.

Предложен новый аппарат качественного исследования сложных динамических многокомпонентных математических моделей на базе анализа поведения решений систем нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений. Этот аппарат существенно упрощает анализ больших массивов модельных данных за счет проектирования (визуализации) их структуры на плоскость обобщенных факторов без потери информации; дает возможность использовать мощный классический аппарат качественного анализа малоразмерных систем (исчезает проблема ”проклятия размерности”); дает возможность визуально оценить адекватность характеристик, полученных с помощью математической модели, реальному процессу.

Развита методологическая основа оценок экологического риска проживания на загрязненных территориях с помощью построенных многомерных интегральных экологических индексов загрязнения (с учетом динамики основных токсикантов, в том числе радионуклидов, в разных звеньях экосистемы). Проведена серия расчетов медицинских и экологических рисков проживания в наиболее загрязненных в радиационном отношении районах Житомирской области.

Разработаны математико-картографические модели пространственно-распределенных корреляционных зависимостей между интегральными индексами загрязнения и характеристиками состояния здоровья населения, проживающего на данных территориях. Предложены математические методы экологического районирования территорий по интегральным индексам техногенного загрязнения.

Реализованы автоматизированные процедуры визуального анализа, которые позволяют моделировать в диалоговом режиме и отображать в графическом виде динамику процессов переноса радионуклидов, процессов формирования доз (внешние, заглатывание, ингаляция) за определенный период по каждому радионуклиду отдельно и по их смесям в зависимости от заданного состава радионуклидного выпадения.

Разработаны компьютерные программные средства для реализации предложенной многоуровневой стратегии визуализации многомерных данных (натурных и модельных) с возможностями визуального анализа и прогнозирования развития сложной экологической ситуации (в том числе средства для создания и коррекции специальных экологических карт пространственных корреляций и рисков проживания).

Ключевые слова: математическое моделирование, многомерный анализ данных, техногенные загрязнения, интегральные показатели, многокомпонентные системы, экологические системы, экологические риски.

Serdjutskaja L.F. Mathematical modelling of influence man-caused loadings on ecological systems. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of Doctor of Technical Sciences on a specialty - 01.05.02 - mathematical modeling and computing methods. - Institute of Simulation Problem in the Energetic named after Puhov G., National Academy of Sciences Ukraine. Kiev, 2004.

The new multilevel strategy of research of complicated multicomponent systems, based on synthesis of possibilities of methods of the multivariate analysis and variety of modern computer modes of visual representation of multivariate data for the first time is offered.

The general concept of construction of the generalized integrated characteristic is theoretically justified and advanced at modeling complicated systems. The algorithm of the construction of multivariate integrated indexes of man-caused contaminations of multicomponent ecosystems is now offered.

The new process of qualitative research of this complicated dynamic multicomponent mathematical models is offered on the basis of the analysis of behavior of solutions of systems of the ordinary nonlinear differential equations. This means essentially simplifies the analysis of the big data files due to projection (visualization) of their structure on a plane of the generalized factors without loss of the information.

Computer software for realization of the offered multilevel strategy of visualization multivariate data (natural and modeling) with the possibilities of the visual analysis and prediction of development of a complicated ecological situation (including tools for creation and corrections of special ecological maps of spatial correlations and environmental risk) have been developed.

Key words: mathematical modeling, the multivariate analysis of the data, man-caused contaminations, integrated indexes, risks, multicomponent systems, environmental risk.

Размещено на Allbest.ru