Прогнозування показників екологічної безпеки міст за результатами моніторингу навколишнього середовища (на прикладі Івано-Франківська)

Abstract

У дисертаційній роботі висвітлено хід і результати дослідження впливу хімічного складу грунтів міста Івано-Франківська на здоров’я людей. Проаналізовано екологічний стан грунтів у місті. Встановлено статистичний зв’язок між концентраціями мікроелементів та хворобами людей. Запропоновано математичні моделі показників рівня екологічної безпеки з медичної точки зору. На основі знайдених залежностей розроблено екологічно-медичні індекси та динамічні екологічно-медичні індекси, які чисельно виражають рівень безпеки співвідношень концентрацій окремих мікроелементів у грунтах для здоров’я людей. Структура загальних індексів відповідає структурі хвороб - екологічних маркерів -та смертності від них. Загальні індекси визначені як лінійна згортка екологічно-медичних індексів типів хвороб. Розроблено методологію визначення показників екологічної безпеки території, на основі якої розроблено математичну модель. Вона враховує стан літосфери та мінерально-сировинних ресурсів; геофізсфери та космічних ресурсів; геоморфосфери та територіальних ресурсів; поверхневої та підземної гідросфери, динаміки та якості водних ресурсів; атмосфери та кліматичних ресурсів; педосфери та земельних ресурсів; фітосфери, рослинних і рекреаційних ресурсів; зоосфери, ресурсів тваринного світу; демосфери, захворюваності населення у зв’язку з екологічними чинниками та показника екологічного впливу техносфери на природні компоненти. Запропоновано їх звести до інтегрального показника рівня екологічної безпеки, попередньо нормувавши виміряні та розраховані параметри. Спроектовано та розроблено інформаційну аналітичну систему для екологічних служб. Функціонально інформаційна система реалізована 6-ма програмними блоками: вводу вхідної інформації, моделювання, аналізу та прогнозування, генерації документів, інтеграторі та генераторі звіту. Інтелектуальна частина цієї системи використовує семантичну мережу, яка є нечітким орієнтованим графом з розміченими вершинами та ребрами. Прийняття рішень нормується двома методами. Перший метод базується на корисності альтернатив, а другий - на ризиках альтернатив.

В диссертационной работе отображены ход и результаты исследования влияния микроэлементного состава почв города Ивано-Франковска на здоровье его жителей. Проанализировано экологическое состояние почв в городе. Исходя из анализа выполненных расчетов, сделаны выводы о том, что концентрации исследуемых микроэлементов в почвах всей территории города Ивано-Франковска отражают умеренный уровень опасности. Есть некоторое незначительное отклонение по отдельным химическим элементам и участкам, но они несущественно влияет на ситуацию состояния экологической безопасности города. Выявлена статистическая связь между концентрациями микроэлементов и болезнями людей. Для этого использовались непараметрические методы с исользованием ранговых корреляций. Предложены математические модели показателей уровня экологической безопасности с медицинской точки зрения. Для этого была выполненен предварительный анализ геометрической структуры сооокупности рассчитаных данных, проанализирована геометрия парных корреляций. Были использованы линейная функция; параметрических функции, которые с помощью несложных преобразований сводятся к линейной; степенные и тригонометрические полиномы. На основе найденных зависимостей разработаны эколого-медицинские индексы и динамические эколого-медицинские индексы, которые численно выражают уровень безопасности соотношений концентраций отдельных микроэлементов в почвах для здоровья людей. Динамические индексы учитывают развитие процессов во времени, что позволяет прогнозировать изменения состояния здоровья. Структура общих индексов соответствует структуре болезней - экологических маркеров - и смертности от них. Общие индексы определены как линейная свертка экологически медицинских индексов типов болезней. Разработана методология определения показателей уровня экологической безопасности территории с числовыми показателями экологического состояния литосферы и минерально-сырьевых ресурсов; геофизсферы и космических ресурсов; геоморфосферы и территориальных ресурсов; поверхностной и подземной гидросферы, динамики и качества водных ресурсов; атмосферы и климатических ресурсов; педосферы и земельных ресурсов; фитосферы, растительных и рекреационных ресурсов; зоосферы, ресурсов животного мира; демосферы, заболеваемости населения в связи с экологическими факторами и показателя экологического воздействия техносферы на природные компоненты. Предложено их свести к интегральному показателю уровня экологической безопасности, предварительно номировав измерянные и рассчитанные параметры. Спроектирована и разработана информационная аналитическая система для экологических служб. Она состоит из 6 основных программ расчета: фоновых значений загрязнения ЕсоPhone, статистических параметров ЕсоStat, концентрационных интервалов безопасности жизнедеятельности InterConcSafetyLife, экологически безопасных для существования геосистем интервалов концентрации загрязнителей ЕсоSafetyGeosystems, эколого-медицинских показателей состояния почв ЕсоМеdIndeх и прогнозирования заболеваемости и смертности ЕсоМеdIndeх. Интеллектуальная часть информационной системы представлена семантической сетью. Реализована эта семантическая сеть нечетким графом, который описан нечеткими множествами вершин и ребер, задающими, соответственно, объекты урбоэкосистемы и отношения между ними. Нормирование принятия решений использует две нормы. Норма полезностей альтернатив определена отношением полезности альтернативы и максимально возможной полезности, а норма риска - как риск потерять полезность.

The thesis displays the progress and results of investigation of the chemical composition of the soil of the city of Ivano-Frankivsk on the health of its inhabitants. Analyzed the ecological condition of the soil in the city. Found a statistical association between the concentrations of trace elements and human disease. The mathematical models of indicators of environmental safety from a medical point of view. On the basis of the found dependencies developed ecological and health codes and dynamic ecological and health codes that numerically express the security level concentration ratios of individual trace elements in the soil to human health. Dynamic indexes take into account the development of processes in time, which allows to predict changes in health status. The structure corresponds to the structure of the general indexes of disease - ecological markers - and mortality. General indices are defined as a linear convolution of environmentally medical indexes types of diseases. Developed methodology of measuring indicators of environmental safety grounds with numerical indicators of ecological condition of the lithosphere and mineral resources, the ecological state geofizsphere and space resources; geomorfosphere ecological state and territorial resources, the ecological state of the surface and underground hydrosphere, dynamics and quality of water resources, the ecological state of the atmosphere and climatic resources ecological status pedosphere and land resources; environmental condition phytosphere plant and recreational resources; ecological state of the zoosphere, wildlife resources; demosphere ecological status, morbidity due to environmental factors and indicators of environmental impact on natural components of the technosphere. Proposed are reduced to the integral indicator of the level of ecological safety. Designed and developed an information system for environmental analytical services. Functional information system implemented by 6 program blocks: input input data, modeling, analysis and forecasting, generating documents, integrators and report generator. The intelligent part of the system uses a semantic network that is fuzzy directed graph with vertices and edges marked. Decision-making is normalized by two methods. The first method is based on the utility of alternatives, and the second - on the risks of alternatives.