УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ ЕКОЛОГІЧНИХ

ПРОБЛЕМ

Головін Валерій Вікторович

УДК 504. 064.

МЕТОДОЛОГІЯ ПОБУДОВИ СИСТЕМИ КОМПЛЕКСНОГО МОНІТОРИНГУ НАВКОЛИШНЬОГО ПРИРОДНОГО СЕРЕДОВИЩА

НА ТЕХНОГЕННО-НАВАНТАЖЕНИХ ТЕРИТОРІЯХ

Спеціальність 21.06.01 – екологічна безпека

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем Міністерства охорони навколишнього природного середовища України, м. Харків

Науковий керівник: доктор географічних наук, професор

Кузін Олександр Костянтинович,

Український науково-дослідний інститут екологічних

проблем, м. Харків,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Лагутін Михайло Федорович

Харківський національний університет

радіоелектроніки,

професор кафедри радіоелектронних пристроїв

Кандидат технічних наук

Білогуров Віктор Петрович

Український науково-дослідний інститут екологічних

проблем, м. Харків,

завідуючий лабораторією систем моніторингу та

надзвичайних ситуацій

Провідна організація: Київський національний університет будівництва і

архітектури, кафедра “Охорони праці і навколишнього середовища”, Міністерство освіти і науки України,

м. Київ

Захист відбудеться “__10__” _____червня__ 2005 р. о _1000_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.812.01 в Українському науково-дослідному інституті екологічних проблем за адресою:

61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Українського науково-дослідного інституту екологічних проблем (61166, м. Харків, вул. Бакуліна, 6).

Автореферат розісланий “__5__” ____травня_______ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Жуковський Т.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Екологічна ситуація в Україні залишається вкрай складною, навантаження на навколишнє природне середовище (НПС) зростає. Забруднення і виснаження природних ресурсів продовжує загрожувати здоров'ю населення, екологічній безпеці та економічній стабільності держави.

Розвиток сучасного суспільства вимагає усе більшого споживання природних ресурсів, що веде до їх виснаження. Природокористування має антропоцентричний вектор розвитку з перевагою техногенної складової. Соціальний прогрес значною мірою залежить від ефективності заходів щодо попередження і мінімізації негативних наслідків техногенного впливу на навколишнє середовище. Світове співтовариство робить кроки до сталого соціоекологічного розвитку. Прийнято Декларацію Ріо-де-Жанейро (1992 р.) про перехід до екологічно безкризисного і стійкого розвитку. Україна також веде активну політику в сфері охорони навколишньої природного середовища і досягнення екологічної безпеки.

Одним із механізмів оптимізації природогосподарювання під час переходу до стійкого розвитку екосоціотехнополісної системи є створення єдиної загальнодержавної системи моніторингу навколишнього природного середовища як складової частини світової інформаційної екологічної системи. Загальнодержавна система моніторингу має будуватися з урахуванням особливостей регіональних екосистем, з опрацюванням підходів щодо створення регіональних систем моніторингу на територіях підданих надмірному техногенному навантаженню. Тим самим припускається часткове вирішення проблеми переходу такого регіону до стійкого розвитку.

Реорганізація та удосконалення регіональних систем комплексного моніторингу навколишнього природного середовища (СКМНПС) з урахуванням сучасних вимог до системи моніторингу як до інформаційно-аналітичної системи є складною організаційною та науково-технічною проблемою. Це потребує застосування системного підходу, обґрунтування структур та логічної організації складових системи з урахуванням сучасних інформаційних технологій, автоматизації вимірів, оперативності в обробці даних, аналізу їх достовірності. Впровадження такої стратегії сприятиме підвищенню ефективності обґрунтування заходів щодо вирішення задач екологічної безпеки країни.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок дослідження по розробці методології побудови системи комплексного моніторингу довкілля на техногенно-навантажених територіях відповідає сучасним вимогам держави і виконувалися у відповідності до Конституції України (статті 13, 16), Закону України “Про охорону навколишнього природного середовища” (статті 6, 20, 22, 25), постанови Кабінету Міністрів України від 30 березня 1998р. № 391 “Про затвердження Положення про державну систему моніторингу довкілля”, Постанови Верховної Ради України від 20 лютого 2003р. №565-IV “Про рекомендації парламентських слухань щодо дотримання вимог природоохоронного законодавства в Україні”, листа Міністерства екології та природних ресурсів України від 07 травня 2003р. №4684-К/21-8 щодо виконання Постанови Верховної Ради України від 20 лютого 2003р. № 565-IV, щорічних екологічних програм Запорізької області та міста Запоріжжя, тематичних планів УкрНДІЕП, м. Харків, комунального науково-виробничого підприємства “ЕКОЦЕНТР”, м. Запоріжжя.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка методології (удосконалення методів, організації, структури системи) побудови системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища для техногенно-навантаженого регіону країни, що з урахуванням різних стадій функціонування системи моніторингу дозволило б зменшити техногенне навантаження на складові НПС та оптимізувати процеси природогосподарювання і природоохоронну роботу в регіоні.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі: установити основні властивості поточного стану систем спостережень за складовими навколишнього природного середовища та визначити особливості, притаманні техногенно-навантаженим регіонам; визначити функціонально-структурні складові СКМНПС, стадії її функціонування; визначити первинні та управлінські інформаційні потоки, схеми взаємодії суб’єктів моніторингу; визначити рішення з загальносистемних питань, інформаційно-аналітичного центру та обчислювальних мереж збору, опрацювання та обміну інформації, технічного і програмного забезпечення; розробити способи обробки моніторингової інформації та структури даних що зберігаються; визначити критерії оцінки якості НПС; розробити принципи інформаційної взаємодії та інтеграції між регіональною СКМНПС та територіальними природоохоронними системами; визначити використання розробленої методології для побудови комплексного моніторингу НПС різних регіонів України; розробити систему заходів щодо створення регіональної системи комплексного моніторингу НПС нового покоління; провести апробацію запропонованих заходів в регіональній СКМНПС.

Об’єктом дослідження є стан навколишнього природного середовища, існуючі системи спостереження за складовими довкілля та системи природоохоронної діяльності в Україні.

Предмет дослідження - це підходи, методи та засоби побудови сучасної системи комплексного моніторингу НПС на територіях підданих техногенному навантаженню.

Методи дослідження. Для визначення інформації про фізико-хімічні властивості забруднюючих речовин та сполук техногенного походження у навколишньому природному середовищі використовувалися хімічні та фізико-хімічні методи дослідження.

Для оцінки критеріїв якості стану НПС у частині визначення перевищення забруднюючих речовин граничнодопустимим концентраціям використовувалися санітарно-гігієнічні методи дослідження.

Методи математичної статистики були запроваджені для обробки даних показників забруднення складових НПС (розрахунки середніх та відносних величин, графічний та кореляційний аналіз).

Методи системного аналізу застосовані щодо визначення сукупності методологічних засобів по обґрунтуванню рішень побудови регіональної СКМНПС.

Моделювання техногенного забруднення різними сполуками техногенного походження у повітрі, поверхневих водах, грунтах виконувалося за відомими методиками розрахунків концентрацій шкідливих речовин та їх поширення в атмосферному повітрі, поверхневих водах, ґрунтах.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше науково обґрунтовано вимоги до системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища регіонального рівня як спостережно-інформаційно-аналітичної системи;

- розроблено інформаційно-логічну структуру регіональної системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища;

- запропоновано методи оптимізації інформаційних потоків, обґрунтовано схеми інформаційної взаємодії між суб’єктами регіональної системи комплексного моніторингу НПС;

- досліджено інформаційну взаємодію та схеми автоматизованої інтеграції між регіональною системою комплексного моніторингу НПС та територіальними природоохоронними системами дозвільної та інспекторської діяльності.

Практичне значення одержаних результатів.

Матеріали дисертаційної роботи використовувались в ході розробки методичних вказівок Міністерства охорони навколишнього природного середовища України по організації дій щодо удосконалення регіональних систем моніторингу довкілля (Обласна програма моніторингу довкілля, Положення про створення регіональної системи моніторингу довкілля, Положення про створення регіонального інформаційно-аналітичного центру системи моніторингу довкілля).

Інформаційно-логічна структура регіональної системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища застосована під час розробки обласних програм моніторингу довкілля Запорізької, Кіровоградської, Чернігівської областей України.

На засаді розроблених принципів та схем інформаційної взаємодії між суб’єктами системи вперше в Україні в Запорізькій області створено автоматизовану систему обміну та обробки інформації регіональної системи моніторингу навколишнього природного середовища. Визначені методи та алгоритми комп’ютерної обробки інформації системи моніторингу, оцінки стану навколишнього природного середовища регіону, структури баз даних впроваджені у суб’єктах та регіональному інформаційно-аналітичному центрі системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища Запорізької області (науково-дослідні роботи “Впровадження обласної програми моніторингу довкілля” (договір № 04-01/2002-О від 25.11.2002р.); “Впровадження Програми моніторингу довкілля Запорізької області (розробка та впровадження інформаційно-аналітичної системи щодо дотримання природоохоронного законодавства України природокористувачами області, як складової частини обласної системи моніторингу довкілля)” (договір № 07-01/2004-О від 15.12.2004р.)).

Запропонована методика комплексного аналізу стану складових довкілля з урахуванням техногенного навантаження із використанням ГІС технологій вперше застосована у підсистемі моніторингу довкілля міста Запоріжжя (“Впровадження заходів обласної програми моніторингу довкілля. Розробка програмного забезпечення щодо збору, обміну та аналізу екологічних даних в системі моніторингу довкілля м. Запоріжжя” (договір № 03-01/2002-Г від 25 квітня 2002р.); “Розвиток системи моніторингу довкілля м. Запоріжжя” (договір № 04-01/2004-Г від 24 травня 2004р.)).

Особистий внесок здобувача полягає в проведенні теоретичних та експериментальних досліджень, обробці отриманих результатів, формулюванні основних положень, висновків, випробуванні результатів роботи в реальних умовах побудови регіональних систем комплексного моніторингу НПС; в розробці нових методологічних підходів щодо побудови СКМНПС регіонального рівня як інформаційно-аналітичної системи; у визначені інформаційно-логічній структурі регіональної СКМНПС, завдань та функцій, що автоматизуються в окремих складових інформаційно-аналітичної СКМНПС; в дослідженні та обґрунтуванні схем інформаційної взаємодії між суб’єктами системи моніторингу навколишнього природного середовища; в розробці методів та алгоритмів комп’ютерної обробки даних моніторингу, розробці та впровадженні структур баз даних за складовими довкілля та математичного забезпечення системи; в розробці та впровадженні комплексу заходів щодо удосконалення та розвитку регіональних систем комплексного моніторингу навколишнього природного середовища.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися та обговорювалося на міжнародній науково-практичній конференції “Техногенно-екологічна безпека регіонів як умова сталого розвитку України” (м. Яремче, Івано-Франківська область, 2000р.), науково-практичній конференції “Земельна реформа в Україні” (м. Київ, 2001р.), міжнародній конференції “Екологія та безпека життєдіяльності - 2001” (Міжгір’я, Закарпаття, 2001р.), другій міжнародній науково-практичній конференції “Техногенно-екологічна безпека регіонів як умова сталого розвитку України (м. Львів, 2002р.), міжнародній науково-практичній конференції “Водні ресурси на рубежі XXI ст. Проблеми раціонального використання, охорони і відтворення” (м. Київ, 2003р.), XI та XII міжнародних науково-технічних конференціях “Екологія і здоров'я людини. Охорона водного і повітряного басейнів. Утилізація відходів” (м. Бердянськ, 2003, 2004 рр.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 наукових праць, у тому числі 1 монографія (у співавторстві) та 3 статті у фахових виданнях. 3 наукові праці опубліковано без співавторів.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 5 розділів, загальних висновків, списку літератури із 125 найменувань та 16 додатків. Роботу виконано на 182 сторінках машинописного тексту, не враховуючи додатків, має 15 таблиць і 42 рисунки (з них 11 таблиць та 26 рисунків на 49 окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, зв’язок дисертації з науковими програмами та планами, сформульовано мету і задачі дослідження, наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, особистий внесок автора, апробація результатів дисертації і коротко викладені основні положення дисертації.

У першому розділі наведено аналітичний огляд стану проблеми та обґрунтовано напрямки досліджень з питань удосконалення методології побудови сучасної інформаційно-аналітичної системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища. Досліджено проблеми техногенного забруднення НПС в регіонах надмірно підданих техногенному навантаженню, основні поняття та класифікація за призначенням систем моніторингу НПС. У 1972 р. в Стокгольмі пройшла конференція по охороні навколишнього середовища під егідою ООН, де вперше виникла необхідність домовитися про визначення поняття “моніторинг”. Вирішено було під моніторингом навколишнього середовища розуміти комплексну систему спостережень, оцінки і прогнозу змін стану навколишнього середовища під впливом антропогенних факторів. В даний час під системою моніторингу розуміють сукупність спостережень за визначеними компонентами біосфери, спеціальним чином організованими в просторі і в часі, адекватний комплекс методів екологічної оцінки і прогнозування, інформаційне забезпечення підтримки прийняття управлінських рішень.

Відзначено внесок у розвиток теорії і практичних питань створення систем екологічного моніторингу навколишнього природного середовища таких вчених як Александров А.І., Кухар В.П., Ізраель Ю.А., Герасимов І.П., Манн Р.Є, Шапар А.Г., Лемешев М.Я., Крапівін В.Ф., Швебс Г.І., Джефферс Дж., Білогуров В.П., Барановський В.А. та ін. Однак, залишаються ще недостатньо висвітлені питання щодо удосконалення певних підходів та методів, які б об’єднали теорію і практику побудови регіональної системи комплексного моніторингу НПС країни. На сьогодні гостро стоять питання обґрунтування інформаційно-логічної структури регіональної СКМНПС, визначення функціонально-структурних складових СКМНПС, принципів та схем інформаційної взаємодії між суб’єктами системи моніторингу регіонального рівня, оптимізації первинних та управлінських інформаційних потоків, визначення та обґрунтування рішень з загальносистемних питань, інформаційно-аналітичного центру та обчислювальних мереж збору, опрацювання та обміну інформації, технічного і програмного забезпечення; розробки способів та алгоритмів обробки моніторингової інформації та структури баз даних що зберігаються, визначення критеріїв комплексної оцінки стану навколишнього природного середовища.

Проведена оцінка підходів та методів щодо створення регіональних систем екологічного моніторингу на територіях підданих техногенному навантаженню. Показані методи та способи оцінки якості складових НПС. На основі аналізу літературних джерел та вивчення передового досвіду роботи вітчизняних та зарубіжних вчених щодо побудови СКМНПС визначені та конкретизовані наукові та прикладні задачі дисертаційної роботи. Це дозволило в подальшому запропонувати підходи, способи, методи щодо побудови сучасної інформаційно-аналітичної системи комплексного моніторингу НПС регіонального рівня, розробити шляхи та заходи запровадження таких систем в Україні.

Другий розділ присвячено функціонально – цільовому синтезу регіональної системи комплексного моніторингу НПС як спостережно-інформаційно-аналітичної системи нового покоління. Показана ієрархія цілей створення СКМНПС. Перед усім увага приділяється забезпеченню об’єднання та поширення моніторингової інформації, взаємопов’язаному аналізу та обробці даних для інформаційної підтримки функцій охорони НПС. Визначені функціональні завдання системи та суб’єктів моніторингу. Досліджено результати природоохоронної діяльності суб’єктів моніторингу НПС, проведено аналіз показників стану складових НПС промислових регіонів країни. Показано недоліки діючих систем спостереження та обробки даних моніторингу. Визначено, що більша частина накопиченої екологічної інформації має різну якість і точність, часто не відображає загальний стан складових довкілля, у ряді випадків вона дублюється або навпаки її недостатньо. Не вирішені проблеми створення єдиного нормативно-правового та організаційно-методичного забезпечення, сумісності метрологічного, технічного, інформаційного і програмного забезпечення системи моніторингу довкілля. Слабка матеріально-технічна база служб спостережень, недостатня комп’ютеризація й автоматизація самих спостережень, їх обробки та аналізу вимагає розробки методології щодо створення інформаційно-аналітичної системи моніторингу НПС нового покоління.

Загальнодержавна система моніторингу НПС - один із механізмів оптимізації природогосподарювання при переході до стійкого розвитку екосоціотехнополісної системи країни. Основні задачі СКМНПС: спостереження за станом складових НПС, оцінка і прогноз його стану, визначення ступеня антропогенного тиску на навколишнє середовище, виявлення факторів і джерел цього тиску. В кінцевому випадку метою моніторингу навколишнього середовища є оптимізація відносин людини з природою, екологічна орієнтація господарської діяльності. Система моніторингу навколишнього природного середовища національного рівня складається з регіональних, локальних та відомчих систем моніторингу НПС. Регіональна система функціонує в межах адміністративно-територіального району. Як засвідчили результати досліджень з аналізу природоохоронної діяльності в промислових регіонах країни суб'єктами системи моніторингу НПС на регіональному рівні (хто безпосередньо, хто опосередковано) виступають організації, що здійснюють координацію та контроль проведення природоохоронних заходів та природоохоронної діяльності на підвідомчий їм території, дотримання вимог природоохоронного законодавства, організації, що здійснюють спостереження за станом навколишнього природного середовища, контроль та санітарно-епідеміологічний нагляд, природокористувачі, що впливають на стан довкілля викидами, скидами, відходами своєї виробничої діяльності.

Регіональна система моніторингу НПС повинна мати можливість розвиватися з підключенням нових користувачів і підсистем, не порушуючи роботу сполучених систем відомчого моніторингу. По своїй структурі вона являє собою декілька функціонально взаємодіючих підсистем, це підсистема спостереження та збору інформації від відомчих мереж моніторингу регіонального рівня, локальних та об’єктових систем моніторингу, підсистеми вхідного контролю інформації, її попереднього опрацювання і накопичення; підсистеми координації і системного забезпечення; регіонального банку екологічних даних; підсистеми моделювання і прогнозування; підсистеми кризового моніторингу з відстеженням та прогнозуванням надзвичайних ситуацій техногенного та природного характеру; підсистеми інформаційної підтримки планування і управління природокористуванням і природоохоронною діяльністю.

Визначено за функціональним призначенням інформацію яка циркулює в системі моніторингу НПС. Вона поділяється на директивну, нормативно-технічну, обліково-природничу, обліково-контрольну, статистичну звітність, допоміжну. Обґрунтовано вимоги до системи комплексного моніторингу навколишнього природного середовища регіонального рівня як спостережно-інформаційно-аналітичної системи. Запропоновано принципи удосконалення СКМНПС регіонального рівня, основні з яких урахування і використання існуючих організаційних структур і мереж спостережень суб'єктів моніторингу за станом складових навколишнього природного середовища; комплексний системний підхід, етапність і послідовність у розробці і впровадженні в експлуатацію компонентів системи тощо.

У третьому розділі викладено результати дослідження щодо розробки інформаційно-логічної структури та організації логічної взаємодії складових регіональної СКМНПС. Виходячи з того, що система моніторингу довкілля є багатоцільовою системою, яка містить великі обсяги різноманітної інформації, необхідним є структурування її за інформаційно-логічним принципом, що дозволяє відокремити різні задачі і притаманну їм інформацію по структурних блоках. Кожний структурний елемент з інформаційної точки зору вирішує функції збору та зберігання відповідної інформації. На рис.1 визначені компоненти інформаційно-логічної структури регіональної системи моніторингу НПС. Блок “Складові НПС” містить кількісні і якісні показники стану складових довкілля (атмосферне повітря, водні, земельні, біологічні, мінерально-сировинні, рекреаційні тощо) та вирішує задачі спостереження і контролю за всією сукупністю складових НПС регіону і забезпечує збір та зберігання інформації щодо їх стану і змінювання. Графічна схема складових цього блоку наведена на рис.2. Блок “Охорона НПС” містить дані щодо діючого законодавства в галузі охорони навколишнього природного середовища, обсягів інвестицій та капітальних вкладень в його охорону, дотримання вимог природоохоронного законодавства, результати дозвільної та інспекторської діяльності суб’єктів моніторингу тощо. Взаємодія усіх структурних блоків обумовлює функціонування СКМНПС регіонального рівня.

Рис. 1. Компоненти інформаційно-логічної структури

Розроблено вимоги до регіональної системи моніторингу довкілля як інформаційно-аналітичної системи, головні з котрих: автоматизований збір, перевірка і обробка інформації від суб'єктів моніторингу; довгострокове зберігання, видача даних по запитах користувачів оперативне розмежування доступу до функцій системи; математична обробка даних для моделювання екологічного стану; наочна візуалізація статистичної, розрахункової, просторово-орієнтованої інформації; підтримка розподіленого характеру існуючої системи спостереження та контролю стану складових довкілля; інформаційна підтримка прийняття управлінських рішень в сфері охорони довкілля тощо. Для кожної складової довкілля визначено задач і функцій, що автоматизуються. Їх визначення враховує весь цикл моніторингу: спостереження за станом складових довкілля (збір і обробка первинної інформації показників забруднення довкілля, створення і ведення баз даних); аналіз і оцінка стану складових довкілля за допомогою математичних засобів обробки накопиченої інформації; техногенний та антропогенний вплив (збір та обробка первинних даних, створення і ведення комплексу баз даних по джерелах забруднення довкілля); прогнозування змін стану складових довкілля; підсистема моніторингу охорони довкілля (створення банку даних щодо природоохоронних заходів, необхідних коштів, виконання природоохоронного законодавства тощо), підсистема підтримки підготовки управлінських рішень щодо поліпшення екологічного стану в регіоні (на засаді прогностичних моделей та регіонального банку знань автоматизована розробка проектів ряду оптимальних рішень).

Рис.2.. Структура складових блоку “Складові НПС”

У четвертому розділі в результаті досліджень обґрунтовано відповідні схеми інформаційної взаємодії у підсистемах моніторингу та запропоновано методи оптимізації інформаційних потоків між суб’єктами регіональної системи моніторингу НПС. Структурно інформаційне забезпечення суб'єктів системи моніторингу довкілля – це вхідні та вихідні інформаційні потоки, що мають свою періодичність, функціональне призначення, визначену форму відображення. Запропоновано структуру регіональної СКМНПС, де первинні дані про стан складових довкілля накопичуються у суб’єктах моніторингу та передаються до регіонального інформаційно-аналітичного центру системи, у вищі інстанції – управління, міністерства і комітети, де використовуються для вирішення завдань більш високого рівня.

Одним із завдань сучасної системи моніторингу НПС є необхідність тісної інформаційної взаємодії з іншими чинними природоохоронними територіальними системами для забезпечення екологічного благополуччя регіону. Тому в дисертаційних дослідженнях великої уваги приділялось аналізу методам інформаційної взаємодії та побудові схем автоматизованої інтеграції між регіональною системою комплексного моніторингу НПС та територіальними природоохоронними системами дозвільної та інспекторської діяльності. Інформація такої системи щодо природокористування в регіоні (ліміти, дозволи) та природоохоронної діяльності екологічної інспекції (результати перевірок підприємств, штрафи, претензії, позови) має бути доступна в системі моніторингу НПС, як блок дозвільного природокористування та природоохоронної діяльності суб’єктів моніторингу.

В роботі було досліджено поточний стан управління навколишнім середовищем в регіоні та запропоновано складові цього управління в контексті функціонування системи моніторингу. Одним з головних завдань функціонування регіональної системи моніторингу довкілля є інформаційно-аналітична підтримка прийняття природоохоронних управлінських рішень шляхом аналізу, прогнозування та розробки науково обґрунтованих рекомендацій. Структура регіональної системи управління показана на рис. 3.

Рис. 3. Структура регіональної системи управління станом НПС

У п’ятому розділі запропоновано способи та підходи до побудови інформаційної мережі збору та комп’ютерної обробки моніторингових даних, критерії комплексної оцінки стану довкілля, методику впровадження регіональної СКМНПС.

Для реалізації системи моніторингу оптимальним виглядає Internet орієнтований підхід. У регіональному інформаційно-аналітичному центрі системи моніторингу НПС інформація, що надходить від суб'єктів, проходить первинну обробку на достовірність, структурується по розділах баз даних з подальшою можливістю відображення на корпоративному WEB сайті. Доступ до нього забезпечений усім зацікавленим суб'єктам системи моніторингу. WEB сайт є структурною складовою інформаційного забезпечення системи та служить для інформування суб'єктів системи моніторингу НПС про стан навколишнього природного середовища регіону, оперативного доступу до довідкової, статистичної, аналітичної інформації системи. На рис.4 представлена архітектура центральної бази даних регіонального центру моніторингу НПС.

Рис. 4 - Архітектура центральної бази даних регіонального центру моніторингу НПС

Дослідження щодо методології комплексної оцінки екологічного стану окремих територій показали, що на сьогодні в Україні відсутні єдині методики інтегрованої екологічної оцінки територій. Екологами та медиками використовуються різні підходи щодо оцінки стану окремих складових довкілля. Задачі проведених досліджень полягали у тому, щоб на засаді затверджених та пропонованих дослідниками методик оцінки основних складових довкілля, враховуючи вклад окремої складової, за допомогою бальної шкали оцінок вивести загальний показник стану довкілля на відповідній території.

Крім того, на засаді геоінформаційного інструменту з застосуванням відповідного математичного забезпечення розробити аналітичний модуль, який з залученням даних інформаційної бази системи моніторингу НПС надасть можливість експертам та управлінським структурам регіону об’єктивно виявити екологічно-небезпечні території для подальшої розробки відповідних заходів щодо екологічно-безпечного існування населення.

Аналітичний модуль використовує покрокову обробку інформації з частковою чи повною участю експертів, з можливістю перегляду результатів аналізу на кожному кроці. Перший крок обробки інформації – це розрахунок абсолютних показників по усіх факторах впливу. Другий крок обробки інформації – це розрахунок відносних показників по факторах впливу. Комплексна нормативна оцінка (КНО) стану довкілля на другому кроці визначається як:

КНО = (1/n) * ? (Рф/Рр) * 100,

де Рф – показник фактичний; Рр – показник нормативний; п – число врахованих факторів впливу.

Третій крок обробки інформації – це розрахунок синтетичного (комплексного) показника якості навколишнього середовища з використанням вагових коефіцієнтів і відносних показників кожного фактора впливу.

Добуток ваги фактора на його значення в балах дають повну оцінку фактора по його відношенню до якості довкілля. Сума повних оцінок всіх обраних факторів називають синтетичним показником якості довкілля U і визначається виразом:

,

де n – кількість факторів; wi – вага і - го фактора; bi – бальна оцінка і - го фактора.

Для характеристики якості навколишнього середовища визначається нормований синтетичний показник якості НПС, що виражає у відсотках частку оптимальної (найбільшого з можливих) якості довкілля:

.

Аналітичний комплекс дозволяє відображати результати розрахунків оцінки стану компонентів довкілля у вигляді тематичних мап.

Комплексну оцінку якості довкілля можливо розглядати як вектор у вигляді (XYR, T1T2, SP, F1, F2, ..., Fn), де XYR – двомірний простір регіону, XY – координати точки; R – радіус; T1T2 – тимчасовий інтервал; SP – оператор розрахунку синтетичного показника; Fn - вектор кількісних показників фактора.

Fn = (SPn, kn, K1, K2, ..., Kn), де Kn - математичний оператор, котрий обробляє початкові дані, kn– ваговий коефіцієнт значимості фактора.

Аналітичний модуль підключений до ГІС системи дозволяє оцінювати стан складових НПС. На рис. 5 показані просторові розрахунки для оцінки атмосферного повітря промислового міста

Рис. 5. Концентрації розсіювання азоту двоокис в атмосферному повітрі.

Web сайт регіональної системи моніторингу навколишнього середовища по запиту користувача в реальному часі дозволяє опрацювати дані визначеного суб’єкта та складової компоненти природного середовища. На рис.6 показано приклад результату запита до центральної бази регіональної СМНПС.

Рис. 6. Результат запиту до серверу баз даних СКМНПС

З урахуванням основних результатів системного аналізу сучасного стану складових НПС та природоохоронної діяльності суб’єктів моніторингу визначені пріоритетні напрями, завдання та етапи робіт щодо поліпшення функціонування та розвитку регіональної системи моніторингу НПС на техногенно-навантажених регіонах, обґрунтовані комплекси заходів за такими пріоритетними напрямами:

- удосконалення мереж спостережень за станом складових НПС та розвиток незалежних від природокористувачів автоматизованих систем спостережень джерел забруднення природного середовища;

- впровадження єдиної регіональної інформаційної мережі збору, обміну, обробки, збереження даних про стан НПС та природоохоронну діяльність суб’єктів моніторингу;

- удосконалення системи управління охороною навколишнього природного середовища (на основі комплексної оцінки, моделювання, прогнозування стану НПС розробка та прийняття управлінських рішень у сфері охорони НПС та раціонального використання природних ресурсів).

Вирішення завдань побудови системи планується виконувати по етапно.

Визначено необхідні заходи щодо створення регіональної СКМНПС.

ВИСНОВКИ

1. Сучасний стан навколишнього середовища України ставить все більш складні вимоги до наукового та практичного підходів щодо створення дієздатної інформаційно-аналітичної системи моніторингу навколишнього природного середовища в регіонах підданих техногенному навантаженню. Існуючі методи не повністю забезпечують її впровадження для таких регіонів та України в цілому. Насамперед відсутність певних підходів та методології, які б об’єднали теорію і практику побудови системи моніторингу НПС країни. У зв’язку з цим однією із задач екологічної безпеки держави є розробка методології (удосконалення структур, методів, організації системи) побудови регіональної системи комплексного моніторингу НПС.

2. Запропонована методологія охоплює різні аспекти функціонування регіональної системи комплексного моніторингу. Насамперед надане уявлення про систему комплексного моніторингу як спостережно-інформаційно-аналітичну системи. Вона охоплює всі основні компоненти навколишнього природного середовища, визначає підсистеми комплексного моніторингу з їх функціонально-структурними складовими. Стадії функціонування моніторингу включають процеси спостереження, оцінки, прогнозування змін стану компонентів довкілля та добавляється блок “Охорона НПС” на засаді якого опрацьовуються управлінські рішення по збереженню та відновленню природних складових регіону.

3. Узагальнено первинні та управлінські інформаційні потоки, схеми взаємодії суб’єктів у підсистемах моніторингу різних компонентів довкілля. З’ясовані об’єкти та предмети спостереження та дослідження. Запропоновано принципи створення системи моніторингу довкілля, головний із яких обумовлює комплексний системний підхід, етапність і послідовність у розробці і впровадженні в експлуатацію компонентів системи.

4. Розроблено та запропоновано інформаційно-логічну структуру регіональної системи комплексного моніторингу НПС. Структурування різноманітної інформації системи за інформаційно-логічним принципом дозволяє відокремити різні задачі і притаманну їм інформацію по структурних блоках. Найбільша увага приділяється блоку “Складові НПС”, котрий вирішує задачі спостереження та контролю за всією сукупністю складових НПС регіону і забезпечує збір та зберігання інформації щодо їх стану і змінювання.

5. Розроблено вимоги до регіональної СКМНПС як до інформаційно-аналітичної системи. Визначено склад та структура інформаційного банку екологічних даних. Для кожної складової НПС запропоновано перелік автоматизованих задач і функцій які в процесі побудови системи комплексного моніторингу нададуть їй можливість оптимально виконувати своє призначення.

6. Досліджено інформаційну взаємодію та методи інтеграції між регіональною системою моніторингу НПС та територіальними природоохоронними системами. Інформація такої системи щодо природокористування в регіоні (ліміти, дозволи) та природоохоронної діяльності (результати перевірок підприємств, штрафи, претензії, позови) має бути доступна в системі моніторингу НПС, як блок дозвільного природокористування та природоохоронної діяльності суб’єктів моніторингу і є компонентом блоку “Охорона НПС”.

7. Запропоновано підходи та вимоги до побудови єдиної регіональної інформаційної мережі збору та комп’ютерної обробки даних моніторингу в регіональному інформаційно-аналітичному центрі системи. Мережива технологія Internet з розподіленим доступом до корпоративного Web-сайту забезпечує на сьогодні необхідні функціональні рішення до оперативності та надійності збору, зберігання, обробки та надання даних. Опрацьовані прикладні рішення до структури регіонального центру моніторингу, автоматизації діяльності суб’єкта моніторингу. Розроблено алгоритми функціонування центральної інформаційної бази даних та Web-сайту системи комплексного моніторингу. Надана методика комплексного аналізу стану довкілля на засаді бальної оцінки врахованих факторів компонентів навколишнього середовища.

8. Обґрунтовано пріоритети напрямів, етапів та заходів щодо практичної реалізації системи комплексного моніторингу НПС. Розроблено системи заходів за основними напрямами: удосконалення мереж спостережень за станом складових довкілля та розвиток незалежних від природокористувачів автоматизованих систем спостережень джерел забруднення довкілля; впровадження єдиної регіональної інформаційної мережі збору, обміну, обробки, збереження даних про стан довкілля та природоохоронну діяльність суб’єктів моніторингу; удосконалення системи управління охороною довкілля.

9. Методологія побудови системи комплексного моніторингу запроваджена в Запорізькому регіоні. Запропонована методологія лягла в основу регіональних програм щодо створення систем комплексного моніторингу довкілля Кіровоградської, Чернігівської, Запорізької областей.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Програма моніторингу довкілля Запорізької області / В.В. Головін, Н.І. Гаращук, В.Т. Коба, М.В. Діковський / Під ред. В.В. Головіна. – Запоріжжя: ЗМДКД “Дніпровський металург”, 2001. – 181 с.

2. Головін В.В. Інформаційні складові регіональної системи моніторингу довкілля та взаємодія суб’єктів //Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2003. - № 5. – С. 57-62.

3. Головін В.В., Гаращук Н.І., Діковський М.В. Функціональні вимоги та структура інформаційних складових підсистеми моніторингу поверхневих вод суші та морських вод Азовського моря // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2004. - № 3. – С. 53-58.

4. Головін В.В. Інформаційно логічна структура регіональної системи моніторингу довкілля // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2004. - № 5. – С. 73- 79.

5. Головін В.В. Шляхи створення системи моніторингу довкілля Запорізької області // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2001. - № 2. – С. 71-73.

6. Головин В.В., Гаращук Н.И. Анализ экологического состояния территории Запорожской области // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2001. - № 2. – С. 66-70.

7. Барякин В.Н., Головин В.В. К вопросу о разработке экосоциотехнополисной модели региона // Материалы международной конференции “Экология и безопасность жизнедеятельности - 2001” (Межгорье, Закарпатье, август 2001 года). – Алчевск: ВУО МАНЭБ, ДГМИ, 2001. – С. 57-63

8. Головін В.В., Гаращук Н.І. Моніторинг земельних ресурсів Запорізької області // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. – 2001. - № 4. – С. 53-58.

9. Головін В.В., Гаращук Н.І., Діковський М.В. Інформаційно-аналітична система управління природокористуванням як засіб досягнення сталого розвитку України // Сборник научных трудов XII международной научно-технической конференции “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”: В 3-х т. – Харьков: УГНИИ “УкрВОДГЕО” – 2004. – С. 149-155.

10. Головин В.В., Пересветов Е.И. Опыт применения ГИС – технологий в решении природоохранных задач регионального уровня // Геоінформаційні системи і муніципальне управління: Збірник наукових праць до міжнародної науково-практичної конференції. – Миколаїв: Вид-во МФ НаУКМА, 2000. - С. 104 – 109.

11. Головін В.В., Гаращук Н.І., Діковський М.В. Створення інформаційно-аналітичної системи “Відходи” – необхідна умова розвитку територіальної системи управління відходами // Сборник научных трудов XII международной научно-технической конференции “Экология и здоровье человека. Охрана водного и воздушного бассейнов. Утилизация отходов”: В 3-х т. – Харьков: УГНИИ “УкрВОДГЕО” – 2004. – С. 658 – 662.

12. Головін В.В., Гаращук Н.І., Діковський М.В. Моніторинг довкілля у сфері поводження з відходами // Матеріали другої науково-практичної конференції “Техногенно-екологічна безпека регіонів як умова сталого розвитку України (16-19 квітня 2002р., м. Львів)” - К.: Товариство “Знання України”. – 2002. – С. 291-294.

13. Головін В.В., Гаращук Н.І. Вирішення проблем охорони водних ресурсів за допомогою системи комплексного моніторингу довкілля // Збірник наукових праць УкрНДІЕП “Проблеми охорони навколишнього природного середовища та екологічної безпеки” - Харків: Факт. – 2004. – С. 78 – 91

Особистий внесок здобувача: [1] - розроблено інформаційно-логічну модель системи моніторингу та запропоновано комплексний підхід до її удосконалення, розроблено заходи за визначеними пріоритетами щодо побудови регіональної СКМНПС, [3] - розроблено ієрархічну структуру баз даних моніторингу поверхневих вод, [6] - обґрунтовано першочергове впровадження локальних моніторингів довкілля на територіях техногенно-навантаженого регіону країни, [7] - показано, що одним із методів досягнення стійкого розвитку регіональної екосоціотехнополісної системи є удосконалення комплексного моніторингу довкілля з функціями управління та впливу на техногенні джерела забруднення та свідомість людини, [8] - розроблена інформаційно-логічна структура та схема інформаційної взаємодії суб’єктів загального моніторингу земельних ресурсів з визначенням складу підсистем, [9] - визначено основні завдання та складові територіальної природоохоронної інформаційно-аналітичної системи та її взаємодія з регіональною системою комплексного моніторингу НПС, [10] - запропоновано методи комплексної обробки табличної та просторової інформації за ГІС технологіями для оцінки стану складових навколишнього середовища, [11] – розроблено структуру та алгоритми функціонування програмно-аналітичного комплексу ІАС “Відходи”, [12] - на базі узагальнення та аналізу даних моніторингу запропоновано способи оптимізації процесу розрахунків та видачі лімітів, дозволів на утворення та розміщення відходів на засаді автоматизованої обробки інформації, [13] – розроблено схему взаємодії суб’єктів моніторингу водних ресурсів та її структурно-функціональні складові.

АНОТАЦІЇ

Головін В.В. Методологія побудови системи комплексного моніторингу на техногенно-навантажених територіях. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.01 – екологічна безпека. – Український науково-дослідний інститут екологічних проблем, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено проблемі створення ефективних заходів захисту навколишнього природного середовища України від надмірного техногенного навантаження шляхом розробки методології побудови системи комплексного моніторингу в техногенно-напружених регіонах країни. Досліджено чинні системи спостереження за станом компонентів НПС та природоохоронну діяльність суб’єктів моніторингу. Узагальнено первинні та управлінські інформаційні потоки, схеми взаємодії суб’єктів. Досліджено та запропоновано інформаційно-логічну структуру регіональної системи комплексного моніторингу НПС. Для кожної складової довкілля запропоновано перелік автоматизованих задач і функцій. Визначено склад та структура інформаційного банку екологічних даних. Запропоновано складові підсистеми управління поточним та довгостроковим станом довкілля

Досліджено інформаційну взаємодію та запропоновано принципи інтеграції між регіональною системою моніторингу НПС та територіальними природоохоронними системами дозвільної та інспекторської діяльності. Розроблено структура та алгоритми функціонування центральної бази даних та Web-сайту системи. Надана методика комплексного аналізу стану довкілля на засаді бальної оцінки врахованих факторів. Опрацьовані системи заходів за визначеними етапами та напрямами щодо реалізації системи комплексного моніторингу, тобто надана методика практичного запровадження системи.

Ключові слова: моніторинг НПС, спостереження, інформаційно-логічна структура, потоки інформацій, суб’єкт моніторингу, заходи, оцінка, автоматизація задач.

Головин В.В. Методология построения системы комплексного мониторинга окружающей природной среды на техногенно-нагруженных территориях. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – экологическая безопасность. – Украинский научно-исследовательский институт экологических проблем, Харьков, 2005.

Одной из актуальных задач экологической безопасности государства есть совершенствование методологии (методов, структур, организации) построения системы комплексного мониторинга окружающей природной среды на техногенно - нагруженных территориях.

Большой вклад в развитие теории и практики создания систем экологического мониторинга окружающей среды внесли таких ученые, как Александров А.І., Кухар В.П., Ізраэль Ю.А., Герасимов И.П., Манн Р.Е, ШапарА.Г., Лемешев М.Я., Крапивин В.Ф., Швебс Г.И., Барановский В.А. и др. Но сегодня еще остаются недостаточно освещенными вопросы совершенствования отдельных подходов и методов, которые бы объединили в единое целое теорию и практику построения региональной системы комплексного мониторинга окружающей природной среды.

Предложенная методология охватывает разные аспекты функционирования региональной системы комплексного мониторинга ОПС. Она определяет функционально-структурные составляющие подсистем и охватывает все основные компоненты окружающей природной среды. Стадии функционирования мониторинга включают процессы наблюдения, оценки, прогнозирование изменений состояния компонентов окружающей среды и добавляется блок “Охраны природы”, на основе которого отрабатываются управленческие решения по сохранению и восстановлению природных ресурсов региона.

В работе обобщенны первичные и управленческие информационные потоки, схемы взаимодействия субъектов в подсистемах мониторинга. Детально изучені и определены со всеми связями объекты и предметы наблюдений и исследования в системе мониторинга. Разработана информационно-логическая структура региональной системы комплексного мониторинга. Каждый структурный элемент с информационной точки зрения решает функции сбора и сохранение соответствующей информации. Разработаны требования к региональной системе экологического мониторинга как к информационно-аналитической системе. Определен состав и структура информационного банка экологических данных. Для каждой подсистемы мониторинга предложен перечень автоматизированных задач и функций.

Исследованы схемы информационного взаимодействия и интеграции между региональной системой мониторинга и территориальными природоохранными системами.

Обоснованы приоритеты направлений, этапов и мероприятий по практической реализации системы комплексного мониторинга. Разработаны мероприятий по усовершенствованию сетей наблюдений за состоянием компонентов окружающей природной среды и развитию независимых от природопользователей автоматизированных систем наблюдений техногенных источников; по внедрению единой региональной информационной сети сбора, обмена, обработки, хранения данных о состоянии и изменениях окружающей природной среды и природоохранной деятельности субъектов