Моделирование природных систем

Автором сделано более 20 презентаций на Научно-техническом совете Министерства экологии и природных ресурсов РТ (Казань, 1995-2009), 3 презентации на заседаниях Территориальной комиссии по запасам полезных ископаемых (Казань, 2006-2009) и 2 презентации на Коллегии Министерства природных ресурсов Российской Федерации (Красноярск, 2004).

Публикации и личный вклад автора. По вопросам, затронутым в диссертации, опубликовано 70 работ. Основные положения работы отражены в 6 монографиях (2 авторские и 4 коллективные) и в 14 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАКа, а отдельные результаты отражены в 2 учебно-методических пособиях и использованы в 15 научно-производственных отчетах.

Автор участвовал в постановке задач исследований, анализе опубликованных и фондовых материалов, проектировании и проведении полевых и камеральных работ, включая компьютерную обработку полученных результатов. Он является автором большинства геоэкологических карт, моделей и основных обобщений концептуального характера. Все основные результаты диссертации получены автором лично.

Структура, объем и содержание работы. Диссертация объемом 374 страницы состоит из введения, 8 глав, раскрывающих защищаемые положения, заключения, содержит 98 рисунков, 32 таблицы, 5 приложений. Список использованной литературы включает 453 наименования.

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель, задачи, предмет, объекты и методы исследований, научная новизна, отражена теоретическая и практическая значимость, сформулированы защищаемые положения, приведены сведения об апробации работы, фактическом материале и личном вкладе автора. В главе 1 «Природные и техногенные условия Республики Татарстан» охарактеризованы физико-географические, экономические, геологические, гидрогеологические, минерагенические условия и современная геоэкологическая обстановка территории РТ, описаны отдельные природные и техногенные процессы, обозначены основные проблемы по анализу и синтезу разнородной геоэкологической информации. В главе 2 «Геоэкологическая изученность территории» приведены краткие сведения по истории исследований и состоянию изученности геологического пространства и геоэкологических явлений и процессов в РТ. Выполнен анализ геоэкологических исследований современного информационно-мониторингового этапа, свидетельствующий об общности процессов в разных геосредах и требующий применения новых подходов при изучении многоуровневой техногеосистемы. В главе 3 «Теория и методика компьютерного моделирования» описана методология моделирования и применение аппарата математической статистики для системного исследования техногенно-преобразованного пространства. Приведены принципы построения общего грида для интеграции данных по разноопробованным средам и алгоритм создания интегральных моделей. Проведено сопоставление традиционного геоэкологического картирования и компьютерного моделирования. В главе 4 «Взаимодействие геологических и техногенных объектов и систем» приведены примеры взаимовлияния природной и техногенной систем на промышленно-урбанизированных площадях РТ. Выделены и охарактеризованы новые объекты геоэкологических исследований (техногенная кора выветривания, водоносный современный техногенный ареал), в которых происходят ускорение межгеосферного обмена с поступлением в природные оболочки новых компонентов, дестратификация верхней части литосферы, техногенная трансформация гидросферы. В главе 5 «Интегральные геоэкологические модели» показана последовательность создания интегральных моделей для РТ и ее отдельных площадей. Построение моделей основано на методах многомерной статистики с обобщением массивов разнородной информации, что позволяет создавать постоянно действующие мониторинговые геоинформационные системы, а также выявлять эмерджентные свойства техногеосистем. В главе 6 «Создание геологических моделей» охарактеризована методика формализации литологических, стратиграфических, геодинамических, химических, физических данных для последующего моделирования природных и техногенных процессов. Показаны примеры создания математических моделей отдельных сред, которые используются при решении геоэкологических задач. Применены статистические методы для разделения природных и техногенных ассоциаций химических элементов в гидро-, лито- и  биосферах. В главе 7 «Формирование и прогноз техногенных месторождений и проявлений» обоснована возможность обнаружения техногенного сырья на промышленно-урбанизированных площадях, связанная с последствиями искусственных воздействий на геологическое пространство. На территории РТ выделены технофлюидные ячейки, где обнаружены или прогнозируются техногенные месторождения минеральных вод, углеводородов и других полезных ископаемых. В главе 8 «Синтез знаний и интегральная геология» приведены доводы в пользу развития системного и междисциплинарного подходов, которые способствуют переходу к интегральной геологии. Методология последней апробирована на территории РТ. Доказано, что, основываясь на математическом диалоговом языке, можно синтезировать разнообразные свойства природных и техногенных объектов с их реализацией в виде численных интегральных моделей. В заключении приведены основные выводы и результаты, полученные автором при выполнении многолетних исследований по теме диссертации.

Обоснование защищаемых положений

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 (главы 3, 8).

Сфера интересов геоэкологии затрагивает взаимоотношения природных геосфер с техносферой. Техногенез относится к ведущим современным процессам, так как преобразует природные системы планетарного уровня, приводя к образованию и развитию техногеосистем, где природные и технические элементы объединены потоками вещества, энергии и информации. Но полнота исследований причинности в геоэкологии сдерживается наличием сложной и не всегда явной связи между природными и техногенными процессами. Обобщающим методом изучения техногеосистем может служить моделирование с созданием генеральной картины явления в виде математической модели, обеспечивающей высокий уровень синтеза данных, обработку огромных объемов информации за короткие промежутки времени, включая разнородные геологические и экологические данные, хранение, управление, анализ, представление и визуализацию информации, максимальную ее доступность и использование для разработки рекомендаций по управлению процессом или объектом.

Геологическое пространство можно представить в виде ячеисто–сотовой структуры, учитывающей взаимосвязи между неоднородными вертикальными блоками (ячейками) эндогенного генезиса и горизонтальными структурами–средами (сотами) экзогенного и техногенного происхождений. Это позволяет проводить количественную оценку территорий, опираясь на статистические методы обработки разнообразной информации, представленной в виде пространственно распределенных характеристик-параметров (Викторов, 2003; Кузнецов, 2000). При этом формируются системы моделей, которые решают проблему достоверности оценок и быстрого их перестраивания при расширении информационной основы, определяя обоснованность геоэкологических прогнозов. По сравнению с традиционной картой, в математической модели неизмеримо повышается адекватность информации реальному геологическому строению и степени техногенной нагрузки, т. к. модель сохраняет численные характеристики изучаемых объектов с возможностью проведения аналитических и синтетических построений. Диалоговый язык математики позволяет преодолеть разобщенность наук о Земле и дать количественную оценку всего разнообразия природных и техногенных процессов. Поэтому одной из важнейших задач современной теоретической геоэкологии становится создание соответствующих объективной реальности математических моделей объектов, явлений и процессов. Численная модель позволяет донести до пользователя авторскую интерпретацию всей обработанной информации и существенно облегчает процесс дальнейшего исследования техногенно-преобразованного пространства по мере получения геологических, экологических и других данных. Отсюда следует важный практический вывод, что системная характеристика геоэкологического объекта возможна только путем создания его цифровой компьютерной модели, а в геоэкологии представляется перспективным переход от описательного и субъективного картографирования (парадигма сообщения) к объемному моделированию природных и техногенных процессов (парадигма анализа и синтеза).

Поставленная в диссертации цель предполагала разработку методики компьютерного моделирования, позволяющей интегрировать различные составляющие геологического пространства (Сунгатуллин, 2001-2009). Процесс создания интегральной модели состоит из следующих последовательных операций: а) формирование базы количественных и качественных данных по различным средам; б) построение по ГИС–технологии монокомпонентных моделей 3D; в) создание общего грида для отдельных сред, обладающих разной сетью опробования (рис. 1); г) статистический анализ (корреляционный, кластерный, факторный и другие методы) матрицы параметров и значений, полученной с помощью общего грида (грид-анализ); д) выбор «техногенного», «природного» и «природно–техногенного» факторов на основе геологических, экологических и других представлений, с обязательным учетом кластерной группировки параметров и вклада каждого из них в факторные нагрузки; е) построение по полученным факторным коэффициентам новых синтезированных моделей 3D, системно обобщающих всю информацию о геоэкологическом пространстве и обладающих новым качеством - эмерджентностью; ж) построение интегральной модели 3D с переходом в будущем на моделирование 4D.

Создание базы количественных данных относится к наиболее ответственному элементу моделирования, являясь необходимым условием для изучения процессов в отдельных средах, а также при долгопериодном мониторинге. Количественные определения признаются доминантными по сравнению с качественными показателями, а когда накоплен значительный объем информации, появляется возможность создания постоянно действующих моделей. Результаты геологических и экологических исследований обычно представляются в виде координат точек нерегулярной сети по отдельным средам (см. рис. 1, А), а разнородность геоэкологической информации связана с неравномерной плотностью опробуемых сред, различными способами

 
получения первичной информации, разными методами интерпретации, дискретностью данных, описывающих непрерывные процессы, объекты и их свойства (Юбко, 2005). Интеграция данных возможна, если эти результаты будут получены на регулярной наблюдательной сети. Для преодоления подобных сложностей предлагается использовать грид-метод, когда изучаемая территория разбивается регулярной сеткой с гексагональными ячейками (см. рис. 1), размер которых выбирается исходя из имеющейся информации для оценки отдельных сред. Затем сетка представляется в виде матрицы значений (матричный грид), учитывающей зависимости между реальными точками наблюдений с измеренными параметрами и позволяющей проводить статистические расчеты. В разработанной методике применение статистического анализа заключается в получении некоторых обобщенных комплексных факторов, агрегирующих большое количество частных параметров и отражающих наиболее существенные черты суперпозиции влияющих процессов, что позволяет раскрыть внутреннюю структуру техногеосистемы и объективизировать процесс познания. При интеграции геоинформации наиболее широко применяются корреляционный, регрессионный, факторный и кластерный анализы, что связано с доступностью их использования через пакеты прикладных программ (Чижова, 2006). Результаты математической обработки материалов будут успешными, если дается содержательная интерпретация выявленных параметров (кластеров, факторов и др.). Данная стадия работы по созданию моделей требует от исследователя четкого представления об информативном потенциале параметров, которые привлечены для статистического анализа и на основе которых выделены обобщающие показатели. Выявление геологически и экологически значимых факторов позволяет создать на их основе интегральные модели (см. рис. 1, Б).

Весьма важным и актуальным направлением в геологии, и особенно в геоэкологии, представляется разработка общих принципов, обеспечивающих возможность использования результатов различных исследований для интегрального моделирования техногеосистемы. В геологии интеграции способствуют несколько причин: единство объекта исследований и общность цели; общность технических средств, методов и методик сбора первичных данных; общность технических средств лабораторных исследований, научно-технических средств хранения, обработки, преобразования полученной информации; сходство компьютерных технологий для сбора, хранения, обработки и распространения информации и единство методов моделирования. Необходимость интеграции вызвана и тем фактом, что в частных моделях сегодня выявляются точки соприкосновения, позволяющие объединить данные различных наук и создать более совершенную модель изучаемого объекта. Реализация количественного подхода в геоэкологии позволит получать совершенно новую информацию и перейти к объемному геоэкологическому моделированию. Трудности в моделировании природных и техногенных процессов обусловлены недостатком современных знаний и недостаточностью информационных баз, однако принципиальных ограничений здесь не существует.

Сегодня имеются все предпосылки для развития интегрального направления геологии, объединяющего информацию разных дисциплин для создания общей модели геологического пространства на количественно–статистической основе как необходимого компонента изучения окружающего мира. Интегральная геология есть новое научно-философское направление геологии, изучающее информационно–энергетические функции сфер планеты Земля высокого уровня организации (микро–, мезо– и макроуровни) для создания моделей геологического пространства и постижения природы геологических процессов, выработки законов функционирования техногеосистем, реконструкции геологического прошлого и прогнозирования будущего состояния окружающей среды (Сунгатуллин, 2004). При этом под интегральной геологией (от integer – целый) понимается объединение результатов сложившихся к настоящему времени отдельных геологических дисциплин в одно целое образование. Методология интегральной геологии апробирована автором как в целом для Республики Татарстан (Сунгатуллин, 2006, 2008), так и для отдельных промышленно-урбанизированных площадей (Сунгатуллин, 2001, 2009).

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 (главы 5, 6).

Любые модельные построения требуют определённой формализации как способа фиксации знаний об объекте исследования и выделения из бесконечного разнообразия явлений закономерностей, которые помогают его углубленному изучению с помощью математических методов (Современные…, 1984; Соловьев, 1968; Новаковский, 1994). Поэтому формализация важна для решения содержательных геоэкологических задач с помощью информационных систем. В свою очередь, последние не могут существовать без постоянного обновления и пополнения массивов данных, т. е. они работают в мониторинговом пространственно-временном режиме, что позволяет перейти к качественно новому продукту - геоэкологической постоянно действующей модели. Подобная модель создается, уточняется и пополняется в любой своей части без нарушения существующей структуры в течение всего периода использования. В основу компьютерного моделирования геоэкологических явлений и процессов закладывается методологический принцип первичности геодинамических, геологических, геофизических, геохимических и других моделей. Подобное моделирование базируется на законах и принципах математики, физики, химии и представляет эффективный метод решения сложных геоэкологических задач, позволяющий перейти к количественным методам научной квантификации информации.

Территория РТ характеризуется разнообразными типами техногенных систем (табл. 1, рис. 2). Исходная информация для создания интегральной геоэкологической модели республики получена из статистического анализа карты функционального зонирования (см. рис. 2). На основе последней по оригинальной методике балльной оценки влияния техногенных объектов на геологическое пространство (Сунгатуллин, 2001) создана численная модель техногенной нагрузки (рис. 3). В центр шестиугольной ячейки площадью 25 км2 выносится средневзвешенный балл техногенного воздействия, который учитывает распространение конкретных техногенных систем-объектов в

Таблица 1. Техногенные системы РТ (см. рис. 2)