WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

Петина Мария Александровна

АНАЛИЗ И ОЦЕНКА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

25.00.27 – гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Белгород – 2012

Работа выполнена на кафедре географии и геоэкологии Белгородского государственного национального исследовательского университета «БелГУ» Научный руководитель Корнилов Андрей Геннадьевич доктор географических наук, профессор Белгородского государственного национального университета «БелГУ»

Официальные оппоненты:

Братков Виталий Викторович доктор географических наук, профессор Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) Сысенко Вячеслав Иванович доктор географических наук, профессор Курского государственного университета Ведущая организация Институт географии РАН, г. Москва

Защита состоится «27» апреля 2012 г в «13.30» на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 в Воронежском государственном педагогическом университете по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, 86, ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке научных работ Воронежского государственного педагогического университета по адресу: 394043, г.

Воронеж, ул. Ленина, 86, 408 ауд.

Автореферат разослан «23» марта 2012 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу:394043, г. Воронеж, ул. Ленина, 86 ВГПТУ, естественно-географический факультет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02. Тел/факс:8(4732)5519-49, E-mail: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук Шмыков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Для оценки состояния водных ресурсов в целях устойчивого развития страны и отдельных ее регионов необходимо иметь достаточно полные и современные данные о запасах качественной воды, об условиях формирования гидрологического режима водных объектов и их экологическом состоянии, а также о возможном изменении их запасов под влиянием природных и антропогенных факторов. Интенсивное развитие компьютерной техники и информационных технологий в последнее время позволяет получить нужные характеристики о запасах водных ресурсов и экологическом состоянии водных объектов с помощью географических информационных систем (ГИС) для своевременного принятия управленческих решений по рациональному использованию водных ресурсов конкретного региона полнее и быстрее по сравнению с традиционными методами.

Белгородская область принадлежит к числу регионов России с ограниченными ресурсами местного поверхностного и подземного стока при крайне высоком уровне сельскохозяйственного, промышленного и коммунально-бытового водопотребления. Потенциальная водообеспеченность на одного жителя по суммарным водным ресурсам, особенно в маловодные годы, составляет 1000–1500 м3 в год, что по международной классификации является очень низкой или критически низкой водообеспеченностью.

В последние годы в результате интенсивного освоения региона происходит усиление антропогенной нагрузки на окружающую природную среду, что приводит к значительному ухудшению качественного состояния подземных вод. К тому же, подземные воды являются единственным источником питьевого, бытового и большей частью промышленного водоснабжения Белгородской области, что еще в большей степени усугубляет водную проблему исследуемой территории.

Оценка природного потенциала водных ресурсов Белгородской области, факторов формирования их экологического состояния, поиск алгоритмов оптимизации рационального водопользования с применением современных методов ГИС-технологий обусловливает актуальность темы исследования.

Цель работы – разработка принципов и методов комплексной оценки гидрологического и гидроэкологического состояния водных объектов и организации информационной поддержки для оптимизации водохозяйственной ситуации и обеспечения гидроэкологической безопасности региона.

Поставленная цель предопределила решение следующих задач:

1) уточнить характеристики природных и антропогенных составляющих качества водных ресурсов Белгородской области;

2) провести анализ современной водохозяйственной ситуации и различных видов водопользования на территории региона;

3) рассмотреть способы оптимизации экологического состояния гидросистем региона;

4) составить базы цифровых географических и тематических данных региона для определения физико-географических и гидрографических характеристик;

5) разработать программное обеспечение, уточнить базу данных характеристик и использования водных объектов региона, нормативных, справочных и архивных данных мониторинга с целью информационной поддержки принятия решений при комплексном управлении водными ресурсами и водоохранном природопользовании.

Объектом исследования являются водные ресурсы Белгородской области.

Предметом исследования являются природные и антропогенные процессы, влияющие на условия водопользования в Белгородской области.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) уточнена роль климатических и антропогенных параметров формирования гидрологического режима поверхностных и подземных вод региона;

2) определены и систематизированы природные и антропогенные источники формирования химического состава и качества поверхностных и подземных вод на территории Белгородской области;

3) впервые проведен кластерный анализ системы водопользования в Белгородской области;

4) предложена структура комплексного обеспечения информационной поддержки принятия решений при проведении мониторинга поверхностных и подземных вод Белгородской области и комплексном управлении водными ресурсами (КУВР).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Современная водохозяйственная ситуация в Белгородской области характеризуется низким уровнем водообеспеченности, которая обусловлена ограниченными запасами природных вод и высоким водопотреблением в связи с индустриально-аграрным характером освоения территории.

2. Современное водопользование Белгородской области характеризуется тем, что различные объекты водохозяйственной системы (ЖКХ, промышленность, водно-бальнеологические объекты водопользования) используют подземные воды, а гидромелиоративные, рыбохозяйственные, водно-рекреационные объекты водопользования – поверхностные водные ресурсы.

3. Уточнение базы данных по водным ресурсам Белгородской области с учетом изменяющейся водохозяйственной ситуации на основе ГИСтехнологий.

4. Алгоритм создания специализированной региональной ГИС «Водные ресурсы и их рациональное использование» для комплексного управления водными ресурсами и планирования природоохранных мероприятий.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили труды ведущих отечественных ученых М.И. Львовича, В.Г. Глушкова, А.И. Субботина, Г.П. Калинина, И.А. Шикломанова, А.Б. Авакяна, Н.И. Коронкевича, Н.И. Алексеевского, А.Г. Курдова, В.М. Смольянинова, В.Н. Жердева и др., занимавшихся теоретическими и методологическими вопросами охраны и рационального использования водных ресурсов, а также научные разработки исследователей в области практического использования ГИС-технологий для принятия управленческих решений в сфере водных ресурсов: С.В. Павлова, Н.Н. Бобровицкой, М.С. Богдановой, Е. В. Орловой и др.

Исходные материалы и методы исследования. Информационную базу исследования составили фондовые материалы Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды Росгидромета, отдела водных ресурсов по Белгородской области ДБВУ, ФГУ «УЭ Белгородского водохранилища», Белгородского территориального центра государственного мониторинга геологической среды и водных объектов, Федерального агентства по недропользованию и литературные источники. Сбор, обработка и анализ данных о современном гидроэкологическом состоянии поверхностных и подземных вод Белгородской области проводились с использованием стандартных программно-инструментальных средств: MS Excel, Statistica, СУБД InterBase, Delphi, программного продукта БелГИС и оригинального программного обеспечения для построения оценки гидрологических и гидрохимических характеристик и природного потенциала водных ресурсов Белгородской области и определения алгоритмов оптимизации рационального водопользования.

В диссертационном исследовании использованы методы системного анализа, моделирования, теории принятия решений, баз данных, экологического картографирования, а так же общие и частные методики гидрологии, гидрохимии, были проведены имитационные эксперименты и географические исследования.

Личный вклад автора. Уточнена и систематизирована современная водохозяйственная структура Белгородской области с учетом меняющихся природных и антропогенных факторов. Разработан алгоритм использования геоинформационных технологий в системах поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами, что подтверждается полученными автором диссертации Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программная система поддержки принятия решений для управления деятельностью экологических служб» №3855 от 28.09.2011 и актами внедрения научно-производственных организаций НПО «Экотон», Белгородского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Белгородского территориального центра государственного мониторинга геологической среды и водных объектов, отдела водных ресурсов по Белгородской области Донского бассейнового водного управления. Кроме того, результаты диссертационных исследований использовались при подготовке учебного пособия «Исследование малых водных объектов и их экологического состояния» (Белгород, 2012).

Практическое значение работы. Полученные результаты являются основой гидроэкологической оценки состояния поверхностных и подземных вод региона и могут служить базовой составляющей при решении задач по обеспечению питьевой водой населения, определении приоритетности водоохранных мероприятий, подготовки программ по оздоровлению окружающей среды в регионе, а также своевременного принятия управленческих решений в области рационального использования водных ресурсов в условиях возрастающего техногенного пресса на водные объекты, регионального и глобального изменения климата.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, всероссийских и региональных научных и научно-практических конференциях: IV Всероссийской научно-практической конференции: Краеведческие аспекты географических исследований и образования, г. Пенза, 2008; III Международной научной конференции: Новые технологии в рациональном природопользовании; Инженерно-экологические проблемы недропользования, г. Белгород, 2008; V Всеукраинской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Молодые ученые – географической науке. Киев, 2009; IV международной научной конференции: Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах, Москва-Белгород, 2010; Всероссийской молодежной школысеминара: Современные проблемы географии и гидрологии суши, Москва, 2010; Международной научно-практической конференции: Регион – 2010: стратегия оптимального развития, Харьков, 2010; VI Всеукраинской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Молодые ученые — географической науке, Киев, 2010; 2-ой Международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и технологии», 3-5 октября 2011, г. Белгород.

Результаты исследования освещены в 18 научных публикациях, в том числе в 8 статьях из перечня ВАК РФ и одном учебном пособии.

При непосредственном участии автора полученные результаты исследований были использованы в выполнении Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (госконтракт №П1101 от 02.06.2010 г. «Моделирование территориальных рекреационных систем староосвоенных регионов в целях оздоровления водных объектов и развития сельского туризма (на примере Белгородской области)», а также при выполнении программы Участника молодежного научноинновационного конкурса («У.М.Н.И.К.») по теме: «Разработка технологии хранения и обработки информации в системах поддержки принятия решений при рациональном природопользовании» (с 2008 по 2011 гг.).

Достоверность результатов работы достигается корректной постановкой решаемых задач гидроэкологической оценки водных ресурсов региона, репрезентативностью исходных фактических данных Росгидромета РФ, использованием апробированного математического аппарата и методов ГИС-технологий.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы - 162 страницы, включая 16 таблиц, 34 рисунка и 2 приложения. Список литературы содержит 191 наименование.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.г.н., профессору А.Г. Корнилову, а также к.г.н. доценту М.Г. Лебедевой за всестороннюю помощь в ходе написания работы, директору ТЦ «Белгородгеомониторинг» А.И. Спиридонову, начальнику отдела водных ресурсов по Белгородской области Донского бассейнового водного управления Ю.Г. Атанову за предоставленные возможности использования фондовых материалов и оказанную помощь в их обработке.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ 1. Современная водохозяйственная ситуация в Белгородской области характеризуется низким уровнем водообеспеченности, которая обусловлена ограниченными запасами природных вод и высоким водопотреблением в связи с индустирально-аграрным характером освоения территории.

Современная водохозяйственная ситуация в регионе определяется как природно-климатическими факторами, так и его производственно-хозяйственной деятельностью. Первая составляющая связана с естественными процессами формирования речного стока и подземных вод, вторая отражает многообразие антропогенных факторов в пределах речных бассейнов и подземных вод, влияющих на величину, изменчивость составляющих речного стока, гидрологические процессы, динамику подземных вод и их качественное состояние.

Часто эти составляющие взаимосвязаны. При этом нарастает скорость как природных, так и антропогенных изменений, и в перспективе следует ожидать усиления негативных последствий, с которыми необходимо считаться при планировании развития экономики (Петина, Клубкова, Новикова, 2011).

Проведенные нами исследования (Решетникова, Лебедева, Петина, 2010) свидетельствуют об уменьшении водообеспеченности региона, при этом наблюдаются изменения и годового, и сезонного стока рек.

В условиях высокой техногенной нагрузки антропогенный фактор по степени влияния на водный режим исследуемой территории сопоставим с изменениями, обусловленными природными факторами (Решетникова, Лебедева, Петина, 2011; Решетникова, Лебедева, Петина, Шевченко, 2011). Например, Старооскольско-Губкинский промышленный район характеризуется значительным техногенным воздействием на окружающую среду, в том числе на водные ресурсы. Осушение отрабатываемых железорудных месторождений, работа крупных водозаборов по водообеспечению промышленных предприятий и населения городов Старый Оскол и Губкин повлекли за собой существенные нарушения режима водоносных горизонтов. Создание Старооскольского водохранилища вызвало подпор подземных вод на севере района, а формирование хвостохранилищ и технических водоемов способствовали образованию на юге «куполов растекания» подземных вод в границах региональной депрессионной воронки. Все это нарушило естественный водный баланс территории горнопромышленного района в целом.

Прогнозируемое уменьшение водности рек может негативно сказаться на экологической ситуации (рис. 1, 2).

Рисунки иллюстрируют тенденции стабилизации и даже некоторого сокращения общего объема регионального водопользования при увеличении доли водозабора подземных вод, что свидетельствует об относительной стабилизации гидроэкологической ситуации на поверхностных водных объектах и о постепенном количественном и качественном истощении подземных вод. Индикатором этих процессов является формирование депрессионных воронок на территории крупных промышленных узлов.

Рис. 1. Основные показатели водопотребления на территории Белгородской области (по данным Росгидромета) Рис. 2. Основные показатели водоотведения на территории Белгородской области (по данным Росгидромета) Анализ данных Росгидромета позволил нам составить современные карты гидроэкологических ситуаций. На рисунке 3 представлен вариант карты для поверхностных вод.

Рис. 3. Загрязненность поверхностных вод (составлена автором по данным Росгидромета) 2. Современное водопользование Белгородской области характеризуется тем, что различные объекты водохозяйственной системы (ЖКХ и промышленность, водно-бальнеологические объекты водопользования) используют подземные воды, а гидромелиоративные, рыбохозяйственные, воднорекреационные объекты водопользования – поверхностные водные ресурсы.

Анализ современной водохозяйственной ситуации и структуры водопользования в Белгородской области позволил выделить следующие кластеры: жилищнокоммунальный и производственный, водно-бальнеологический, гидромелиоративный, рыбохозяйственный, водно-рекреационный.

Жилищно-коммунальный и производственный кластер.

а) жилищно-коммунальный: проблема обеспечения населения Белгородской области питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве с каждым годом обостряется. Особенно велико значение пресных подземных вод, роль которых в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения области составляет 100%. В связи с этим, работы по ведению режимных наблюдений за состоянием подземных вод на территории Белгородской области являются одними из наиболее важных;

б) производственный: не менее значимой проблемой является сложившаяся ориентация промышленного водоснабжения на обеспечение подземными водами, что при формирующемся дефиците подземных вод обусловливает задачи ее реструктуризации и задействования запасов вод крупных водохранилищ Белгородской области.

Водно-бальнеологический кластер. Водно-бальнеологический кластер на территории области представлен 7 месторождениями минеральных подземных вод. Все месторождения минеральных вод относятся к двум типам: бальнеологические радоновые воды и лечебно-столовые воды.

Радоновые воды разведаны на 4 месторождениях: Волоконовское, Морквинское, Чернянское (Чернянский район) и Петровское (окрестности с. Городище Старооскольского района). Все месторождения приурочены к породам архей-протерозойского комплекса. По составу эти воды относятся преимущественно к хлоридно-натриевому типу с минерализацией 0,5 – 0,8 г/дм3.

Лечебно-столовые воды разведаны на 3 месторождениях: Масловопристанское-1 и Масловопристанское-2 (Шебекинский район) и Белгородское (г.

Белгород). Два из этих месторождений (Масловопристанское-1 и Белгородское) приурочены к известнякам нижнекаменноугольного водоносного комплекса, относятся к хлоридно-нитриевому типу с минерализацией около 4,5 г/дм3.

Гидромелиоративный и рыбохозяйственный кластеры. Для поверхностных вод они формируются на прудах и водохранилищах.

а) гидромелиоративный: 29 прудов используются для поливов сельскохозяйственных культур;

б) рыбохозяйственный: 95 прудов имеют рыбохозяйственное назначение и предназначены для разведения карпа, толстолобика, белого амура и др., остальные пруды относятся к категории общего водопользования.

Водно-рекреационный кластер. Он объединяет реки Оскол, Северский Донец, Ворскла, Тихая Сосна, Нежеголь, Старооскольское и Белгородское водохранилища. Водные объекты определяют рекреационную ценность любой территории, являются важным фактором, влияющим на перспективы формирования и развития туристско-рекреационного комплекса.

Пруды, водохранилища, озера и реки удобны для длительного и кратковременного отдыха, Например, на побережье Белгородского водохранилища работает 14 учреждений отдыха, из них 8 с круглогодичным режимом работы, работают в летнее время как лагеря. В учреждениях сезонного отдыха в летний период могут отдохнуть единовременно 1000 человек и в учреждениях круглогодичного отдыха – 800 человек. В течение года на побережье Белгородского водохранилища могут отдохнуть более 37 тысяч человек, что составляет всего 9,3% от общей численности населения г. Белгорода. Весьма широко используется в рекреационных целях побережье Старооскольского водохранилища, где расположены базы отдыха и туристические кемпинги районного и областного подчинения. На других водоемах Белгородской области практически все виды отдыха (купание и отдых у водоема в летний период, летняя и зимняя рыбалка и др.) являются неорганизованными.

Реки, озера, водохранилища, пруды являются, как правило, важными экскурсионными объектами. По берегам рек и водохранилищ находятся интересные историко-культурные и природные объекты, которые могут притягивать туристов и экскурсантов. Самым интересными и познавательными водными объектами для туристов и экскурсантов являются реки Оскол, Северский Донец, Ворскла, Тихая Сосна, где на их берегах сохранились памятники архитектуры, археологии, истории и природы.

Кластерная дифференциация водопользования учитывается нами при разработке рассматриваемой далее базы данных и программного продукта «Водные ресурсы Белгородской области» с тем, чтобы результаты программной обработки обеспечивали представление информации для принятия управленческих решений по каждому из выделенных кластеров.

3. База данных по водным ресурсам Белгородской области с учетом меняющейся водохозяйственной ситуации с использованием ГИС-технологий Формирование разработанной базы данных осуществлялось на основе существующих баз данных различных ведомств (ГидрохимПК, РекиРЕЖИМ), которые, несмотря на свое длительное существование, содержат недостаточно взаимосвязанную информацию: имеются элементы межведомственной разобщенности.

База данных водных ресурсов Белгородской области, создаваемая на базе ГИС-технологий, отслеживает изменения, происходящие в водопользовании, и имеет следующую структуру (табл. 1):

Таблица Структура базы данных Имя таблицы Описание Пользователи системы (содержит ФИО, логин, пароль, права доступа к инtbUsers формации, дату и время создания записи, дату и время редактирования записи) tbLists Списки (содержит наименование и описание списков) Группы полей (содержит наименование группы полей каждого списка.

tbFieldGroup Для удобства редактирования все поля списка разбиваются на группы.

Каждая группа выводится на отдельной вкладке) Поля списка (содержит наименование поля, тип данных порядок сортиtbFields ровки. Все поля делятся на группы, привязка и сортировка осуществляется в пределах группы) Тип поля (содержит наименование всех используемых в программе тиtbFieldType пов полей. Используется для построения запросов по структуре данных, в которых необходимо выводить наименование типа поля) Наименование элементов списка (содержит элементы всех списков, tbItems их Id и наименование, а также привязку к родительскому списку) tbValue Значение поля (содержит значение каждого поля элементов списков) В связи с тем, что структура базы данных водных ресурсов подразумевает наличие большого количества списков, для оптимизации трудозатрат было принято решение построить такую модель данных, которая будет хранить в специально созданных таблицах наименования и структуру списков, а также наименования элементов и значения полей. Для просмотра и редактирования списков разработаны универсальные алгоритмы, которые автоматически разбивают группы полей списка по закладкам на форме редактирования. В зависимости от типа данных выполняется проверка на корректность ввода. При записи изменений формируется SQL-запрос для сохранения значений полей в таблице значений. При этом сохраняется дата и время редактирования и ID пользователя, осуществившего изменение информации. При создании элемента формируется запрос на добавление записи, а при редактировании – запрос на изменение. При изменении структуры данных (при добавлении полей) при сохранении определяется, была ли создана ранее запись для хранения значения поля, и, если ее не было, то она создается. В противном случае выполняется изменение записи.

Списки, содержащие основную информацию, представлены в табл. 2.

Таблица Списки, содержащие основную информацию в базе данных Наименование списка Описание Реки Основные реки на территории Белгородской области Пункты гидрологических Основные пункты гидрологических наблюдений, располонаблюдений женные на территории Белгородской области Водные объекты и посты Наименование и пост водного объекта Перечень гидрохимических постов, контролируемых Перечень гидропостов ФГУ "УЭ Белгородского водохранилища" в 2010 году Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Дон объемом более 10 млн. мболее 10 млн.м3 (Дон) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Дон объемом от 1 до 10 млн. мот 1 до 10 млн. м3 (Дон) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Дон объемом от 0,5 до 1 млн. мот 0,5 до 1 млн. м3 (Дон) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Дон объемом от 0,1 до 0,5 млн. мот 0,1 до 0,5 млн. м3 (Дон) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Днепр объемом от 1 до 10 млн. мот 1 до 10 млн. м3 (Днепр) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Днепр объемом от 0,5 до 1 млн. мот 0,5 до 1 млн. м3 (Днепр) Водохранилища объемом Водохранилища бассейна реки Днепр объемом от 0,от 0,1 до 0,5 млн. м3 (Днепр) до 0,5 млн. мТерриториальные Территориальные характеристики характеристики Характеристики видов Характеристики видов производства (ОКВЭД) производства (ОКВЭД) Характеристики Характеристики предприятий предприятий Указанные списки содержат следующие группы полей, которые характеризуют структуру современного водопользования и особенности гидроэкологического состояния водных объектов Белгородской области (табл. 3).

Таблица Списки, содержащие основную информацию в базе данных Общие Обобщённые гидрологические характеристики водных объектов Сведения о водности рек Белгородской области за 2010 год А. Общие показатели использования воды 1.Забор, сброс в природные водные объекты и безвозвратное водопотребление 2. Лимит и забор воды для использования 3. Использование воды по источникам водопользования и категориям воды 4. Использование воды на различные нужды 5. Сброс сточной, транзитной и другой воды 6. Сброс воды в природные поверхностные водные объекты Группы загрязняющих веществ База данных строится с учетом расположения точек гидроэкологического и гидрогеологического мониторинга.

Разработанная структура, алгоритмы, интерфейс базы данных водных ресурсов базируются на самых современных средствах программной реализации функций хранения и обработки информации. Структура базы данных содержит иерархические списки, поля и элементы, что позволяет наиболее оптимально решать задачи по управлению водными ресурсами.

4. Алгоритм создания специализированной региональной ГИС «Водные ресурсы и их рациональное использование» для комплексного управления водными ресурсами и планирования природоохранных мероприятий.

Значительное количество территориально распределенных данных о состоянии водных ресурсов Белгородской области определяет необходимость их интеграции в единую среду хранения, обработки и анализа, которая служит аналитической основой принятия решений. Реализуется система принятия решений через региональную ГИС, аккумулирующую разнообразную информацию о водных ресурсах области и уровнях их загрязнения различными поллютантами, источниках загрязнения и т.д. Разработка такой системы, ее наполнение должны основываться на выборе наиболее рациональной схемы представления и накопления информации.

Иначе говоря, необходима разработка или адаптация структуры базы данных, которая наиболее удобно и интуитивно понятно помогает пользователю в принятии управленческих решений.

Разработка ГИС довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс. Поэтому, наиболее целесообразно, использовать существующий программный продукт с расширением его функциональных возможностей. Широкий набор не всегда стандартных форм представления информации о водных ресурсах региона привел к необходимости самостоятельной разработки структуры базы данных и ее алгоритмической основы. Для разработки базы данных использовалась система управления базами данных (СУБД) InterBase 6.5. Выбор данной СУБД обусловлен ее удобством и простотой реализации встроенных функций, низкой стоимостью обслуживания, удовлетворительными требования к квалификации пользователя, а также поддержкой Windows и Borland.

Таким образом, в диссертационной работе разработаны структура и алгоритмы базы данных для принятия решений, которая интегрирована с графическим ядром ПО БелГИС.

Так, основой ГИС для решения региональных экологических проблем в общем случае является информационно-логическая (инфологическая) модель, отражающая состав, взаимодействие и функционирование различных уровней пространственновременной иерархии всей совокупности процессов в системе (природно-ресурсных, производственно-технологических, социально-экономических и др.). В результате соединения такой модели и технологических геоинформационных средств строятся конкретные схемы ГИС для решения, как частных экологических задач, так и комплексных региональных проблем (оценка изменения состояния природной среды, уровня безопасности и риска для здоровья населения, прогнозирование экологических последствий антропогенных воздействий на окружающую среду и др.).

Эти задачи исследований составляют прикладную часть логической структуры ГИС экологической направленности, которая зачастую глубоко индивидуальна и не всегда поддается унификации. Инструментальные программные средства для сбора, хранения, обработки, представления информации при решении прикладных задач составляют системную часть ГИС, в основе которой лежит вполне определенный набор сервисных функций системы. Эти функции имеют, как уже указывалось, унифицированный характер, достаточно универсальны и независимы от приложений, но конкретным приложениям должны соответствовать адекватные технологические маршруты и схемы внутри сервисной операционной среды. Общую методическую схему разработанной нами прикладной ГИС можно представить в следующем виде (рис. 4):

Ввод и редактирование первичной информации Создание запросов Аналитическая визуализация запросов (графики, картодиаграммы, картограммы) Картографическая визуализация (картосхемы) Вывод отчетов, таблиц, картосхем на печать Рис. 4. Методическая схема структуры разработанной региональной ГИС База данных водных ресурсов содержит два вида информации: фактические (значения контрольных измерений содержаний вредных веществ, скорости течений, высоту уреза воды и т.д.) и справочные (нормативные справочники значений класса опасности и предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ, принадлежность бассейну и т.д.).

База данных разработана с использованием технологии объектноориентированного программирования, при этом использовались только стандартные компоненты, функциональные возможности которых позволяют эффективно решать задачи по созданию алгоритмов.

Кроме векторных карт, визуализируемых средствами графического редактора MapProj, в самой базе данных реализован механизм просмотра пиксельных (растровых) карт (аналитический блок), который используется в случае самостоятельного использования базы данных, т.е. без подключения к графическому ядру системы БелГИС. Просмотр растровых карт осуществлен через специально разработанную форму визуализации изображений. Построение изображения может быть выполнено с автоматическим подгоном по размеру текущего окна или в масштабе 1:1. Автоматическое масштабирование осуществляются через флаг «По размеру формы». Построение изображения осуществляется путем его загрузки из дополнительных файлов в режиме реального времени. Количество закладок, их наименования и путь к файлу указываются в файле инициализации в отдельной секции.

Основные функции региональной ГИС в сфере водных ресурсов можно свести к трем видам: 1) ввод, систематизация, хранение, обеспечение актуальности и достоверности картографической, атрибутивной, графической и текстовой информации о водных объектах; 2) обеспечение пользователям возможности формирования запросов, поиск, извлечение информации из баз данных (атрибутивных, картографических, текстовых, графических), предоставление пользователям информации, релевантной запросам, в виде, удобном для содержательного анализа; 3) создание информационной базы для решения информационно-аналитических задач (например, построение карт загрязненности водных объектов; зонирование территории по показателям количества и качества водных ресурсов; риска вредного воздействия вод; контроля прохождения паводков и др.).

В связи с тем, что структура базы данных водных ресурсов подразумевает наличие большого количества списков, для оптимизации трудозатрат было принято решение построить такую модель данных, которая будет хранить в специально созданных таблицах наименования и структуру списков, а также наименования элементов и значения полей. Для просмотра и редактирования списков разработаны универсальные алгоритмы, которые автоматически разбивают группы полей списка по закладкам на форме редактирования. В зависимости от типа данных выполняется проверка на корректность ввода. При записи изменений формируется SQL-запрос для сохранения значений полей в таблице значений. При этом сохраняется дата и время редактирования и ID пользователя, осуществившего изменение информации. При создании элемента формируется запрос на добавление записи, а при редактировании – запрос на изменение. При изменении структуры данных (при добавлении полей) при сохранении определяется, была ли создана ранее запись для хранения значения поля, и, если ее не было, то она создается. В противном случае выполняется изменение записи.

Разработанные структура и алгоритмы базы данных в функциональной интеграции с графическим ядром ПО БелГИС составляют системную основу региональной модели управления водными ресурсами, которая представляет собой многофункциональную экспертную систему сбора, обработки, хранения, поиска и анализа данных в сфере водопользования, состоящую из трех основных звеньев: базы данных, базы знаний и клиентского приложения. Ключевым элементом экспертной системы является база знаний, содержащая в себе информацию о водных объектах и ресурсах Белгородского региона и их характеристиках.

При проектировании базы знаний по водным объектам было выделено 3 этапа:

• идентификация проблемной области;

• построение концептуальной модели;

• формализация базы знаний.

Этап идентификации проблемной области включал в себя определение назначения и сферы применения системы поддержки принятия решений, подбор экспертов и группы инженеров по знаниям, выделение ресурсов, постановку и параметризацию решаемых задач.

На этапе построения концептуальной модели создано целостное и системное описание используемых знаний о водных объектах, отражающее сущность функционирования системы поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами Белгородского региона.

Формализация базы знаний осуществлялась в два этапа:

1. Выделение процессной модели.

2. Преобразование процессной модели в модули базы знаний.

Процессная модель позволила определить иерархию процессов и выделить процессы принятия решений о «попадании» в кластер и принятие решений о наилучшем варианте (рис. 5 и 6).

Рис. 5. Принятие решения о попадании в кластер Рис. 6. Принятие решения о наилучшем варианте исхода события Наполнение базы данных знаний системы поддержки принятия решений основывается на фреймах. Фреймы базы знаний организованы в иерархию, т.е.

фрейм может быть модулем верхнего уровня или подчиненным модулем, ассоциированным с отдельным объектом. Таким образом, база знаний, основанная на фреймовом подходе, повышает производительность механизма логического вывода.

База знаний системы поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами Белгородского региона построена по модульному принципу таким образом, что декомпозиция на модули производится в соответствии с иерархией процессов принятия решений, установленной в процессной модели.

Для целей эффективного управления водными ресурсами была разработана продукционно-фреймовая модель базы знаний.

Продукционно-фреймовая модель базы знаний реализовывалась в несколько этапов: 1). Первый этап — предварительная оценка влияния различных примесей на качество воды. Для этих целей был использован метод анализа иерархий. Примеси, относительные важности которых очень малы, исключались, поскольку их влияние на качество воды незначительно. После получения экспертных оценок по важности примесей была составлена матрица иерархий, проверена ее согласованность и, соответственно, верность суждений. Полученное значение отношения согласованности (ОС=0.08) свидетельствует о верности суждений. 2). Второй этап — разработка системы фреймов базы знаний для экспертной системы и разработка правил-продукций (рис. 7).

Определение качества воды в реке Оскол … Хлориды Взвешен- Фосфаты Фенолы Сульфаты Нитриты (10 – 250) ные (0.010 – (2,0 –25,0) (30 – 300) (0,010 – мг/дм3 вещества 0,200) мкг/дммг/дм0,250) … ( 5 – 50) мг/дммг/дммг/дм5 класс – экстре4 класс – 1 класс – 2 класс – 3 класс – замально грязная грязная условно слабо грязненная чистая загрязненная Рис. 7. Фрагмент сформированных правил-продукций Правила-продукции позволяют представить знания в виде предложений «ЕСЛИ» – «ТО». Алгоритмическое представление правила-продукции системы, например, для оценки качества воды имеет вид:

Rule =(Вид1.Вид примеси; хлориды) =(Масса1.Массовая доля примеси в 1 дм3 воды; от 10±10% до 250±10% мг/дм3) >(Количество1.Количество примеси в конкретном водном объекте; 150 мг ) =(Вид1.Вид водного объекта; Северский Донец)… Do =(Класс; Класс загрязнения данного водного объекта) EndR В этом примере рассмотрено правило для определения класса загрязнения водоема хлоридами, при этом рассматривается превышение содержания примеси в данном водоеме.

Разработанная база знаний была заполнена характеристиками водных объектов Белгородской области. Было сформировано более 1500 правил, при этом часть правил приводила к одним и тем же результатам в зависимости от изменения характеристик слотов. База знаний была размещена в экспертной системе, результатом работы является готовая база данных по рассматриваемому региону.

Объектная модель приложения, осуществляющего обработку и выдачу информации из базы данных и базы знаний по запросу пользователя в удобном для восприятия виде, реализует визуализацию справочной и фактической информации.

Данная система выводит результаты запроса в удобной форме, позволяет делать выборку данных по нескольким критериям.

На рис. 8, 9 представлены результаты запросов в виде текстовых и графических ответов.

Рис.10. Результаты работы базы данных по запросу «Болота» Рис.11 Результаты обработки сложного запроса На рисунке представлены результаты сложного запроса по загрязнению рек по постам наблюдений и принадлежности рек к водосборным бассейнам.

Помимо запросов для поддержки принятия решений, система на основе базы данных позволяет строить, например, изолинии загрязнений подземных вод с учетом класса опасности, визуализировать предпроектные границы санитарных зон, при увеличении входных параметров (структура и состав вмещающих пород, удаленность от поймы, высота над уровнем моря) моделировать зоны подтопления и затопления, а также распространения загрязняющих веществ и т.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. Формирование водных ресурсов, их пространственного и временного режима обусловлено взаимодействием комплекса взаимосвязанных факторов и условий (климатических, геологических, геоморфологических, геокриологических, ландшафтных, а также антропогенных). К природным факторам, прямо или косвенно оказывающим воздействие на химический состав вод, относятся: физикогеографические (рельеф, климат, почвенный покров); геологические (состав горных пород, тектоническое строение, гидрогеологические условия); биологические.

Среди антропогенных факторов, снижающих качество воды водотоков и подземных вод исследуемого региона и ухудшающих их экологическое состояние, наибольшее воздействие оказывают: горнодобывающая промышленность, сельскохозяйственное производство, урбанизация, рекреация и т. д.

2. Анализ современной водохозяйственной ситуации и структуры водопользования в Белгородской области позволил выделить следующие кластеры: коммунально-производственный, водно-бальнеологический, гидромелиоративный, рыбохозяйственный, водно-рекреационный.

Первые два кластера связаны с использованием подземных вод. В пределах Белгородской области подземные воды широко используются для питьевого водоснабжения (100% хозяйственно-бытового водоснабжения области производится из подземных водных объектов) и для производственных целей. По состоянию на 01.01.2011 г. на территории области для хозяйственно-питьевого, производственнотехнического и сельскохозяйственного водоснабжения разведано 73 месторождения пресных подземных вод с общими эксплуатационными запасами 1523,82 тыс. м3/сут.

Водно-бальнеологический кластер на территории области представлен 7 месторождениями минеральных подземных вод. Все месторождения минеральных вод относятся к двум типам: бальнеологические радоновые воды и лечебно-столовые воды.

Гидромелиоративный, рыбохозяйственный и водно-рекреационный кластеры связаны с использованием поверхностных вод. Гидромелиоративный и рыбохозяйственный кластеры формируются на прудах. Часть прудов используется для полива сельскохозяйственных культур, часть прудов имеет рыбохозяйственное назначение и предназначена для разведения карпа, толстолобика, белого амура и др.

Водно-рекреационный кластер объединяет реки Оскол, Северский Донец, Ворскла, Тихая Сосна, Нежеголь, Старооскольское и Белгородское водохранилища.

3. В настоящее время широкое распространение получили различные методы анализа ресурсов поверхностных и подземных вод, в том числе с применением ГИС-технологий. Географические информационные системы находят все более широкое применение как для выполнения оперативных расчетов и оценки водных ресурсов, так и для изучения гидрологического режима водных объектов. Многие проблемы сбора, обработки и интерпретации данных, проектирования гидрологических сетей и подготовки предложений для принятия решений при широком использовании ГИС-технологии и персональных компьютеров могут разрешаться легче и эффективнее, чем это было до сих пор в гидрологической практике. Возможность ГИС-технологии оперативно представлять на цифровых или бумажных картах водные объекты совместно с их гидрографическими характеристиками, гидрологическими постами и данными измерений позволяет оперативно проводить автоматизированный комплексный анализ и интерпретацию материалов наблюдений для получения подробной картины происходящих процессов.

В условиях регулярного сокращения числа гидрологических станций и постов как в России, так и во многих регионах мира информация о детальных наблюдениях на сети либо отсутствует, либо недоступна. В то же время существуют базы надежных цифровых географических и тематических данных. Используя эти базы, можно получить необходимые данные для расчета гидрологических характеристик.

4. Полученные в ходе подготовки диссертации цифровые карты и методические разработки анализа гидрологических данных с применением ГИС-технологий, могут быть использованы при подготовке территориальных СНиПов, оценке водных ресурсов, создании региональных гидрологических ГИС для экологического мониторинга водных объектов, для принятия управленческих решений по рациональному использованию и охране водных ресурсов.

5. Предложенный в рассматриваемой диссертации алгоритм использования ГИС-технологий с целью создания базы данных и базы знаний для принятия управленческих решений по рациональному использованию водных ресурсов Белгородской области может быть использован и для других регионов. Принятие эффективных управленческих решений базируется на своевременности и оперативности поступления информации, что достигается за счет внедрения современных средств хранения и обработки данных. Динамичность водной среды предъявляет специфические требования к базе данных и прикладной ГИС водных ресурсов, что привело к необходимости самостоятельной разработки структуры и алгоритмов базы данных, которые в сочетании с существующим графическим ядром служат основой для принятия решений по управлению водными ресурсами региона.

6. Помимо традиционных водоохранных мероприятий показана целесообразность искусственного пополнения запасов подземных вод различными методами (самотечная, напорная инфильтрация и др.) и реструктуризация промышленного водообеспечения с максимально возможным переводом его с подземного на поверхностное водоснабжение.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов кандидатской диссертации 1. Решетникова, Л.К. Внутригодовое распределение стока на примере реки Оскол / Л.К. Решетникова, М.Г. Лебедева, М.А. Петина // Научные ведомости БелГУ, №9 (80), 2010, Выпуск 11. – С. 137-143.

2. Петина, М.А. Использование геоинформационных технологий в системах поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами (на примере Белгородской области) / М.А.Петина // Научные ведомости БелГУ, №21 (92), 2010, Выпуск 13. – С. 151-156.

3. Решетникова, Л.К. Оценка величины испарения с водной поверхности на юге ЦентральноЧерноземного региона / Л.К. Решетникова, М.Г. Лебедева, М.А. Петина, Г.А. Стаценко // Проблемы региональной экологии. 2010, №5. – С. 60-64.

4. Галыгин, В.А. Оптимизация рекреационной нагрузки на аквальный комплекс Белгородского водохранилища /В.А. Галыгин, М.Г. Лебедева, М.А. Петина, Н.Н. Крамчанинов, В.Н. Шевченко // Проблемы региональной экологии. 2011, №2. – С. 161-164.

5. Решетникова, Л.К. Сток малых рек юга Центрально-Черно-земного региона в условиях меняющегося климата и интенсивной антропогенной нагрузки / Л.К. Решетникова, М.Г. Лебедева, М.А. Петина, В. Н. Шевченко // Проблемы региональной экологии. 2011, №2. – С.20-25.

6. Петина, М.А. Изменение водности и гидрохимических показателей основного трансграничного водотока Белгородской области – р. Cеверский Донец / М.А. Петина, Г.В. Клубкова, Ю.И. Новикова // Научные ведомости БелГУ, №21 (116), Вып. 17. – С. 132-136.

7. Решетникова, Л.К. Характеристики водного режима рек юга Центрально-Черноземного региона на рубеже ХХ-ХХI веков / Л.К. Решетникова, М.Г. Лебедева, М.А. Петина // Известия Смоленского государственного университета, 2011, №4 (16). – С. 30-38.

8. Петина, М.А. Межгодовая изменчивость характеристик загрязнения трансграничных рек Белгородской области/ М.А. Петина // Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки, №1, 2012. – С. 97-100.

Статьи и материалы научных конференций 9. Петина, М.А. Экологическое состояние трансграничных рек Белгородской области и основные мероприятия по их оздоровлению / М.А. Петина, Ю.Г. Атанов, Н.Н. Крамчанинов // Материалы IV Всероссийск. науч.-практ. конф: Краеведческие аспекты географических исследований и образования. – г. Пенза: изд-во ПГПУ им В.Г. Белинского, 2008. – С. 31-34.

10. Яницкий, Е.Б. Оценка антропогенных нагрузок на экогеосистемы горнодобывающими предприятиями / Е.Б. Яницкий, М.А. Петина // Матер. III Междунар. конф.: Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах. Часть III.

Новые технологии в рациональном природопользовании. Инженерно-экологические проблемы недропользования. – г. Белгород 20-24 октября 2008 года. – Москва-Белгород, 2008. – С. 169-172.

11. Петина, М.А. Разработка технологии хранения и обработки информации в системах поддержки принятия решений при управлении водными ресурсами Белгородской области / М.А. Петина, Н.О. Зайцева // Матер.V Всеукраинской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: Молодые ученые – географической науке. Вып. 5, Киев: Сталь, 2009. – С. 194-196.

12. Колмыков, С.Н. Трансформация бассейна р. Чуфичка под воздействием горнодобывающей деятельности / С.Н. Колмыков, А.Г. Корнилов, М.А. Петина // Матер. IV междунар. науч.

конф.:Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах Москва- Белгород, 2010. – С. 274-277.

13. Решетникова, Л.К. Многолетняя динамика минимального стока рек юга ЦентральноЧерноземного региона / Л.К. Решетникова, М.Г. Лебедева, М.А. Петина // Матер. IV междунар.

науч. конф.: Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах Москва-Белгород, 2010. – C. 316-321.

14. Петина, М.А. Компьютерная поддержка принятия решений при управлении водными ресурсами (на примере Белгородской области) // Матер. Всероссийск. молодежн. шк.: Современные проблемы географии и гидрологии суши. – М.: Географический факультет МГУ, 2010 – С.67-69.

15. Лебедева, М.Г. Факторы загрязненности рек юга Центрально-Черноземного региона / М.Г. Лебедева, Л.К. Решетникова, В.Н. Шевченко, М.А. Петина // Междунар. науч.-практич.

конф.: Регион-2010: стратегия оптимального развития, Харьков: Изд-во Харьковск. нац. ун-та, 2010. – С. 309-311.

16. Фурманова, Т.Н. Влияние горно-металлургического комплекса Курской магнитной аномалии на поверхностные и подземные воды / Т.Н. Фурманова, М.А. Петина // Материалы VI Всеукраинской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых: «Молодые ученые – географической науке», Вып. 6, Киев: изд-во геогр. лит.: «Обрий». 2010. – С. 90-93.

17. Петина, М.А. Компьютерная ППР при определении качества воды в реках региона / М.А. Петина, Н.П. Путивцева, С.В. Игрунова, О.П. Пусная, Н.О. Зайцева // Компьютерные науки и технологии: сборник трудов Второй Международной научно-технической конференции.

3-5 октября 2011, г. Белгород. – Белгород ООО «ГиК» 2011. – С. 305 – 309.

18. Петин, А.Н. Исследование малых водных объектов и их экологического состояния:

учебное пособие / А.Н. Петин, В.Н. Шевченко, М.А. Петина. – Белгород: ИПК НИУ «БелГУ», 2012. – 260 с.

СОДЕРЖАНИЕ Введение..............................................................................................................................................................

Глава 1. Теоретические и методологические основы управления водными ресурсами........

1.1 Теория и методология в изучении водных ресурсов....................................................................

1.2 Гидроэкологические методы исследования водных ресурсов...................................................

Глава 2. Природные и антропогенные факторы формирования водных ресурсов Белгородской области....................................................................................................................................

2.1 Природные факторы формирования водных ресурсов...............................................................

2.1.1 Географическое положение.....................................................................................................

2.1.2 Геологическое строение и рельеф.........................................................................................

2.1.3 Гидрогеологические условия.................................................................................................

2.1.4 Климатические условия...........................................................................................................

2.1.5 Почвенный и растительный покров......................................................................................

2.2 Антропогенные факторы и их влияние на режим и качественное состояние поверхностных и подземных вод............................................................................................................

2.2.1 Понятие об антропогенных факторах....................................................................................

2.2.2 Влияние антропогенных факторов на режим поверхностных и поземных вод...........

2.2.3 Влияние антропогенных факторов на качество поверхностных и подземных вод.....

Глава 3. Применение ГИС-технологий для решения природоохранных задач.........................

3.1 Геоинформационное обеспечение гидроэкологических исследований.................................

3.2 Существующие базы данных для оценки состояния поверхностных и подземных вод....

3.3 Бассейновый и территориально-административный подходы при оценке водных ресурсов.........................................................................................................................................

Глава 4. Региональная модель управления водными ресурсами..................................................

4.1 Предлагаемые подходы к построению картографической модели..........................................

4.2 База данных, используемая при построении геоинформационной системы..........................

4.3 Решение практических задач с использованием разработанной ГИС-технологии...............

Заключение.............................................................................................................................................................

Литература..............................................................................................................................................................

Приложения............................................................................................................................................................

Подписано в печать ___.03.2012. Формат 6084/16.

Гарнитура Times. Усл. п. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ __.

Оригинал-макет подготовлен и тиражирован в ИПК НИУ «БелГУ» 308015, г. Белгород, ул. Победы,




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.