Моделирование природных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  
высшего профессионального образования  
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ

Инженерно – экономический институт

 

 

 

 

Работа по дисциплине: Моделирование природных и техногенных систем

Тема: МОДЕЛИРОВАНИЕ

ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ

(на примере Республики Татарстан)

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

А.А. Панкова группа 6193

 

 

 

 

 

Казань - 2013

 

 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

Актуальность. Во второй половине XX века произошло осознание тесной связи процессов в земной коре с процессами в гидро-, био-, атмо- и техносферах, и поэтому в настоящее время геологическое изучение планеты невозможно без активного взаимодействия с другими естественными науками. Однако преобладающая глубокая дифференциация и «субъективизация» в науках о Земле приводит к ослаблению прямых контактов между научными дисциплинами и направлениями, так как отдельные объекты и среды до сих пор изучаются по методологиям, характерным для узкоспециализированного знания. С другой стороны, все сильнее проявляется интегративная тенденция с возникновением синтетических научных направлений. Особенно актуальны междисциплинарные усилия специалистов при анализе глобальных, региональных и локальных геоэкологических проблем. При этом для промышленно-урбанизированных регионов Российской Федерации практически отсутствуют исследования, направленные на синтез информации по геологическим, экологическим, географическим, социальным и другим параметрам, недостаточно разработаны критерии оценки разных сред, методические приемы обобщения возрастающих массивов информации и построения инвентаризационно-прогнозных моделей. Методом системного и интегративного изучения геологического пространства в условиях интенсивного техногенеза может служить моделирование, для которого сегодня нет общепринятых концепций. Отсюда создание методологии системного изучения природных и техногенных объектов и сфер рассматривается как одна из актуальных задач геологии и геоэкологии, затрагивающей теоретический и эмпирический уровни знания.

Цель исследований: обосновать научно-методические основы моделирования природных и техногенных систем, выявить связи между ними и создать постоянно действующие интегральные модели геологического пространства для рационального использования природных ресурсов и обеспечения устойчивого развития промышленно-урбанизированных регионов.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

• реализовать комплекс методов системного анализа природных и техногенных объектов с установлением их взаимоотношений в условиях интенсивного техногенеза;
• разработать принципы формализации экологических, литологических, геодинамических, химических, физических и других параметров при моделировании природных и техногенных процессов;
• применить единую сетку разноопробованных сред для математической обработки данных при изучении управляющих параметров техногеосистемы и связей между различными средами с выявлением природных, природно-техногенных и техногенных элементов;
• разработать алгоритм создания интегральных геоэкологических и геологических моделей для их использования в научной и прикладной деятельности;
• подтвердить достоверность компьютерных моделей;
• оптимизировать технологию геоэкологического зонирования на основе выбора наиболее информативных интегральных моделей с выявлением их эмерджентных свойств;
• дать количественную оценку природных и техногенных процессов для рационального использования недр и охраны окружающей среды территорий российских регионов;
• определить наиболее эффективные критерии прогнозирования техногенных месторождений.

Методы решения задач: полевые (маршруты, изучение обнажений, бурение и каротаж скважин, опробование и др.), лабораторные и камеральные методы геологических, экологических, геофизических, геохимических и гидрогеологических исследований; обобщение и анализ большого фактического материала унифицированным способом; выполнение численных расчетов с помощью программ Statistika, Excel и создание компьютерных моделей объектов, явлений, процессов комбинированием ГИС MapInfo и Surfer; разработка новых подходов к решению естественно научных проблем с использованием комплекса методов геологии, экологии, геоинформатики, географии, математики, физики и химии.

Объектами исследований явились породы, донные осадки, воды, почвы, растительность и продукты техногенной деятельности регионального и локального уровней на территории Республики Татарстан (РТ) - одного из самых изученных в геологическом отношении и промышленно-урбанизированных субъектов Российской Федерации, а предметом исследований выступили количественные и качественные показатели, определяющие изменения геологического пространства под действием природных и техногенных процессов.

Фактический материал. Основу диссертации составляют результаты лито-, гидро-, биогеохимических, геофизических, геодинамических исследований при геоэкологических и гидрогеологических работах, геологическом картировании и геохимической съемке по потокам рассеяния, полученные автором на территории РТ с 1993 по 2009 гг.

В процессе написания диссертационной работы использованы результаты более 40000 различных анализов, выполненных по аттестованным методикам в аккредитованных лабораторных центрах России. Литохимические модели включают результаты 24 000 анализов из кадастра месторождений и проявлений твердых полезных ископаемых РТ (Шаргородский, 2000), а при создании физических моделей использованы данные региональных геофизических работ (Боровский, 1999; Каримов, 2004 и др.). Гидрохимические модели созданы по результатам более 4 000 анализов подземных и поверхностных вод. При создании геологических и структурных моделей обработан материал 10 000 поисковых, разведочных и эксплуатационных скважин на территории РТ. Качество и достоверность полученных автором данных контролировались проведением повторного опробования и их статистической обработкой, а также сопоставлением результатов моделирования с реальной геологической обстановкой.

Автором проанализированы и обобщены фондовые геологические, экологические, гидрогеологические, геохимические, геофизические и другие материалы по РТ и сопредельным территориям, научные публикации по теме, сыгравшие значительную роль при подготовке диссертации.

Защищаемые положения:

Положение 1. Техногенез образует в земной коре промышленно-урбанизированных территорий участки с закономерно связанными химическими, физическими и геодинамическими параметрами. Системное исследование техногенно-преобразованного пространства, основанное на компьютерном моделировании и синтезе разнородной информации, способствует повышению точности и достоверности геоэкологических работ, раскрывает новые качества техногеосистемы и усиливает исследовательский потенциал наук о Земле.

Положение 2. Техногенно-преобразованное пространство формируется комплексом природных и техногенных систем. На основе анализа системообразующих факторов созданы постоянно действующие разноуровневые модели для геоэкологического прогноза, реализованные на примере Республики Татарстан.

Положение 3. На промышленно-урбанизированных площадях происходит техногенная трансформация химического состава депонирующих сред. С помощью аппарата математической статистики разработаны критерии обнаружения техногенных аномалий и количественно оценен вклад природных, природно-техногенных и техногенных процессов в общую информацию о техногеосистеме.

Положение 4. Техногенные месторождения нефти и минеральных вод на промышленно-урбанизированных территориях характеризуются относительно высокой в геологическом масштабе скоростью формирования, что позволяет увеличить минерагенический потенциал регионов.

Научная новизна

1. Впервые для субъекта Российской  Федерации с разнообразным техногенным  воздействием предложена, разработана  и апробирована методика интегрального изучения и прогноза состояния техногенно-преобразованного геологического пространства, основанная на компьютерном моделировании. Переориентирование традиционного геоэкологического картографирования на компьютерное моделирование позволяет значительно расширить ресурсность информационных баз данных, оперативно изменять модели и объективизировать процесс изучения техногеосистем c заменой парадигмы сообщения (характерной для картографирования) аналитической парадигмой (характерной для моделирования).

2. Изучены основные депонирующие среды (лито-, био-, педо-, гидросферы), определяющие экологическую обстановку территории РТ; установлены особенности химического состава природных и техногенных объектов на промышленно-урбанизированных площадях.

3. Предложены методические приемы  формализации и ранжирования качественных характеристик сред техногеосистемы для их совместного использования с количественными параметрами. С помощью методов многомерной математической статистики разработаны критерии идентификации техногенных аномалий и реализована методика количественной оценки вклада отдельных факторов в общую информацию о техногеосистеме.

4. Впервые выделены и охарактеризованы  техногенная кора выветривания и водоносный техногенный ареал, существенно отличающиеся от природных геологических тел. Показаны перспективы использования новых объектов при эколого-гидрогеологическом картировании и моделировании интенсивно преобразованных территорий.

5. Предложены новые подходы поисков  и прогнозирования техногенных месторождений полезных ископаемых на промышленно-освоенных территориях, что позволяет выделять минерагенические ячейки, формирующиеся за счет взаимодействия природных и техногенных процессов.

Практическая значимость и реализация результатов

Исследования автора были направлены на разработку принципиально новой методики компьютерного интегрального моделирования и совершенствование имеющихся технологий, совместное использование их для эффективного решения поставленных экологических и геологических задач с высоким качеством при минимальных затратах на территории РТ и ее отдельных площадях, при мониторинге различных геосред, охране окружающей среды на промышленных предприятиях и широкое внедрение полученных результатов в практику производственных и научных организаций геологического профиля. В рамках проведенных исследований оказалось возможным создать численные математические модели, которые применимы при мониторинге, прогнозе полезных ископаемых, изучении взаимодействия живой и косной природы. Предлагаются новые подходы и методы поиска техногенных месторождений, на основе которых получен вывод о формировании техногенных месторождений нефти и минеральных подземных вод на промышленно-урбанизированных площадях РТ.

Практическое значение работы заключается в возможности использования многих полученных результатов при региональном геологическом и геоэкологическом изучении недр различной направленности и масштаба. В частности, основные положения предложенной технологии моделирования использованы при проведении Федеральной программы «Экология и природные ресурсы России (2002-2010 гг.)», территориальных программ геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы Республики Татарстан (1993-2008 гг.), при выполнении геологических, геоэкологических и геохимических съемок масштабов 1:50 000 и 1:200 000 территории РТ, при поисково-разведочных работах на твердые полезные ископаемые, питьевые и минеральные подземные воды, а также при выборе мест строительства подземных водозаборов и инженерно-геологических изысканиях. Отдельные результаты специализированных исследований применялись при геоэкологическом картировании, проведении гидрогеологических и экологических работ на территории России научными и производственными предприятиями: ФГУП «ЦНИИгеолнеруд» и ФГУП «Волгагеология» Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, ЗАО «ГИДЭК», РАО «ЕЭС России», ОАО «Газпром», «Российские железные дороги», а на территории РТ – открытыми акционерными обществами «Татнефть», «КамАЗ», «Нижнекамскнефтехим», «ТАНЕКО», «КамТИСИЗ», «Оргсинтез», «Казанский вертолетный завод», «Татспиртпром», «Красный Восток», «АЛНАС» и др.

Некоторые положения и выводы диссертации используются автором при чтении лекций и на практических занятиях по курсам: «Геология России», «Геология Республики Татарстан», «Учение о фациях», «Техника геолого-разведочных работ» для студентов Казанского государственного университета, а отдельные методические разработки применяются в учебных практиках по общей геологии и геологической съемке.

Апробация полученных результатов. В полном объеме результаты диссертационной работы представлены на заседании кафедры региональной геологии и полезных ископаемых КГУ.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных конференциях: по пермским отложениям (Мельбурн, 1997), по прикладной геохимии стран СНГ (Москва, 1997), по верхнепермским стратотипам (Казань, 1998), по геохимии ландшафтов, палеоэкологии человека и этногенезу (Улан–Удэ, 1999), по изменяющейся геологической среде (Казань, 2007), по современным геологическим процессам и их инженерно-геологической оценке (Москва, 2009), по интерпретации геофизических полей (Екатеринбург, 2009), на международном симпозиуме им. Д. Г. Успенского (Екатеринбург, 2002), на всероссийских конференциях по мониторингу геологической среды (Казань, 1997), использованию компьютерных технологий при геологическом картировании (Санкт–Петербург, 2001), стратиграфии верхней перми (Москва, 2002; Казань, 2004), органической минералогии (Санкт–Петербург, 2002), изменениям геосистем (Казань, 2004), верхнему палеозою и фациальному анализу (Казань, 2007; 2009), природным, социально-экономическим и этнокультурным процессам (Казань, 2008), эколого-геологическим проблемам урбанизированных территорий (Екатеринбург, 2009), на научно–практической конференции IX международной выставки «Нефть, газ. Нефтехимия – 2002» (Казань, 2002), в чтениях, посвященных 200–летию Геологического музея КГУ (Казань, 2004), на республиканских экологических конференциях (Казань, 1997-2009) и научных конференциях КГУ (2001–2009).