К постановке задачи моделирования загрязнения почвенного покрова

Рассматриваются методологические вопросы количественной оценки изменчивости нерегулярных поверхностей

В последние годы все ощутимее становится необходимость в полной мере принимать во внимание негативные изменения почв в горнопромышленных регионах. В настоящее время более 70 млн. га земель в России загрязнено выбросами предприятий угольной промышленности, за счет которых ежегодно нарушается 100-120 тыс. га продуктивных земель.

Добыча твердых и горючих полезных ископаемых, промышленное производство, транспорт, коммунальное хозяйство, земледелие, животноводство и автомобильные выхлопы отработанных газов, средства химизации сельского хозяйства и др. являются источниками загрязнения почвы тяжелыми металлами.

В большинстве экологических проблем используются незначительное число количественных показателей предельно допустимых содержаний и концентраций (ПДС и ПДК) вредных веществ во всех природных средах с указанием диапазонов содержаний.

Что же касается предельно допустимых концентраций тяжелых металлов и других загрязнителей в почвах, то этот вопрос пока находится лишь в стадии разработки. Отмечается, что унифицированные уровни загрязняющих веществ в почвах не могут быть установлены. Они неизбежно должны сильно варьировать в зависимости от конкретной экологической ситуации, в том числе от свойств почвы, климатических условий, вида растительности; на пахотных землях - от вида и сорта культур, системы агротехники и удобрений и т.д.

В методических указаниях Минздрава рекомендовано для определения ПДК тяжелых металлов увеличить величину их естественного содержания в 5,10 и более раз. Установлены их губительные концентрации в растениях: свинец-10 мг/кг, ртуть-0,04 мг/кг, хром-2 мг/кг, кадмий-3 мг/кг, цинк и марганец- 300 мг/кг, медь-150 мг/кг, кобальт-5 мг/кг, молибден и никель-3 мг/кг, ванадий-2 мг/кг .

Переменные мониторинга почв обладают качественными характеристиками, непосредственно связанными со структурой загрязнения и имеют пространственный характер. Прежде всего, пространственная переменная связана с конкретной областью пространства, или геометрическим полем как множества элементов. Если учитывать, что аппликата несет информацию о содержании загрязнителя в почвенном слое, являясь в то же время составляющей геометрического поля, то в этом пространстве множества точек проявляются свойства почвы, приобретенные в процессе техногенного или антропогенного воздействия.

Морфологический анализ исследований загрязнения почв тяжелыми металлами приводит к выводу о существенной неоднородности размещения загрязнителей даже на ограниченных участках территории. При этом пространственное размещение загрязнителя и новые приобретенные свойства почвы являются функциями морфологической неоднородности территорий. Это вызывает необходимость нетривиального и более детального, чем обычно принято, подхода к интерпретации результатов экологического мониторинга для научного обоснования принятия управленческих решений.

Пространственные переменные нельзя рассматривать как случайные величины, изучаемыми методами статистики. Во-первых, отсутствует теоретическая возможность бесконечного повторения опыта в точке отбора проб, где случайная величина приобретет то же значение. Можно повторить взятие пробы в непосредственной близости, но это не будет то же самое испытание. Во-вторых, результат взятия пробы может быть зависимой величиной. Например, если проба берется в аномальной зоне содержания загрязнителя, в непосредственной близости oт предыдущей, то результат загрязнения также будет высоким.

Классический статистический анализ содержания загрязнителя без учета пространственных закономерностей их размещения исказит оценку действительного загрязнения, что совершенно не допустимо на загрязненных территориях, и особенно, в аномальных зонах, превышающих уровни ПДК.

Пространственная переменная связана с понятием случайной функции, под которой понимают случайную величину с бесконечным числом компонент, т.е. f(X)=f(X₁,X₂…X_n). Такая случайная функция описывается многомерным законом распределения F(х₁, х₂…х_n). В случае геометрического поля значения пространственной переменной во всех точках могут рассматриваться как случайный выбор. Однако физическая уникальность события состоит в том, что оно не позволяет восстановить распределение случайной функции по одному значению вектора.

Решение проблем структуризации геоэкологического поля (ГЭК) математического описания их природной пространственной изменчивости составляют сложную научную задачу, которую необходимо решать в основной логической последовательности от частного к сложному: решением задачи моделирования стационарных полей в форме адекватных нерегулярных поверхностей, отличительной особенность которых состоит в пространственном разнообразии образующих морфологических элементов.

По морфологической изменчивости поверхности можно разделить на:

• регулярные, в которых выделяется закономерность образующих элементов;
  
• нерегулярные, в которых присутствует хаотичность составляющих элементов и отсутствует закономерность их последовательности.
  

В большинстве случаев решение экологических проблем связано с нерегулярными поверхностями, что затрудняет их математическое моделирование и интерпретацию их геометризации.

В объективной реальности можно выделить три типа нерегулярных поверхностей:

1. Открытые поверхности, или наблюдаемые непосредственно, доступные для систем наблюдения, например, рельеф, поверхности искусственных сооружений и т.п.
   
2. Скрытые, недоступные для непосредственного наблюдения, например, поверхности раздела между природными образованиями в слоистых средах, поверхности залежей веществ различной формы в земле и т.п.
   
3. Воображаемые, или виртуальные, т.е. поверхности, являющиеся математическими моделями свойств изучаемой среды.
   

Основным свойством изменчивости таких поверхностей является сложность морфологии, т.е. сочетание положительных и отрицательных элементов, образующих форму поверхности. По этому признаку выделяются отдельные типы рельефа, например, эрозионный тип, мелкосопочный. В первом типе поверхность образована гидрографической сетью и представлена сочетанием отрицательных вытянутых элементов (долины рек и оврагов) и положительных водораздельных пространств. Во втором случае поверхность представлена положительными образованиями на фоне равнинного ландшафта. Любая из форм рельефа в этом случае является результатом геологической деятельности воды, ветра, движений земной коры и т.д., и можно сказать, что форма поверхности является результатом определенного процесса, особенности которого можно восстановить по изменчивости ее морфологии. Это полностью относится и к процессам загрязнения почвы.

Каждое из свойств литосферы и недр Земли может быть представлено поверхностью, морфология которой на современном уровне развития науки может быть изображена изолиниями равных значений конкретной переменной величины (G) или математической функцией пространственных координат X,Y,Z и времени t:

G= f(X,Y,Z,t) (1)

Поскольку литосферные процессы протекают медленно и обладают буферными свойствами, то математическая модель (1) упрощается до функции пространственных координат G= f(X,Y,Z).

B большинстве случаев, морфология моделируемых поверхностей отличается математической нерегулярностью и напоминает форму физической поверхности Земли, и по аналогии эти поверхности могут быть названы топофункциями. Получить математическую модель топофункций достаточно сложно и в настоящее время в математике разрабатываются способы описания нерегулярных поверхностей различными методами.

В качестве геометрической модели загрязнения почвы используется, поверхность, построенная по дискретным замерам с использованием интерполяции между значениями определения содержания тяжелых металлов (ТМ) в пробах, или топофункция.

Топофункция моделируется изолиниями равных значений признака, причем сечение поверхности (h) принимается таким, чтобы обеспечить изображение всех морфологических элементов топофункции. Так можно моделировать любые свойства и отображать графически топофункцию отдельного загрязнителя, либо топофункцию комплексную oт всех действующих поллютантов.

Основные свойства топофункции определяются свойствами поверхности топографического порядка. Форма (морфология) топофункций отображает особенности пространственной изменчивости моделируемого признака загрязнения. Степень морфологической достоверности топофункции зависит от количества исходной информации.

Топофункция называется действительной, если она построена по данным замеров, расстояния между которыми меньше или равны поперечникам действительных морфологических элементов. Действительная топофункция характеризуется различной степенью детализации, что "теряется" при моделировании виртуальных поверхностей.

Если топофункция не отображает действительной пространственной изменчивости моделируемого признака, или, что однозначно, топофункция содержит ошибку аналогии или ошибку линейной интерполяции, то она является частной реализацией.

Степень достоверности воспроизведения действительной изменчивости пространственной переменной зависит от конкретного содержания практических задач оценки экологического состояния территорий.

В подавляющем большинстве случаев информация по загрязнению почвы ТМ представляет частные реализации действительных топофункций, которые строятся на ограниченной информации.

Принятые условия при моделировании топофункции снижают эффект достоверности оценки:

• значения признака на интерполяционном промежутке, т.е. между каждой парой интерполяционных узлов, изменяются по линейному закону;
  
• сечение поверхности топофункции принимается кратным округленным, удобным для счета числам;
  
• изолинии должны быть плавными и наиболее простыми линиями, без изломов или резких изменений в интерполяционных промежутках.
  

Библиографический список

1. Федеральный закон от 08.08.2001 № 128-ФЗ
   
2. РД 52.44.2-94 Комплексное обследование загрязнения природных сред с интенсивной антропогенной нагрузкой
   
3. Курбатов А.А., Курбатова А.С., Башкин В.Н.Методические указания по оценке городских почв при разработке градостроительной и архитектурно-строительной документации НИиПИ ЭГ, 2003.-43с.
   
4. Каплина С.П., Каманина И.З. Содержание тяжелых металлов в почвенном покрове на территории средних городов севера Московской области и их влияние на здоровье населения // Успехи современного естествознания. - 2011. - № 7 - С. 71-75
   
5. Гришина Л.А. Трансформация органического вещества и гумусное состояние почв: Автореф. дис. ... д-ра биол. на-ук. М.: Изд-во МГУ, 1982. -50 с.
   
6. Аронов В.И. Методы математической обработки геологических данных на ЭВМ.- М.: Недра,1977.-С.169.
   

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости