Текст книги "Геомониторинг в городском подземном строительстве"

1.9. Системные принципы организационного построения ЕГСЭМ

ЕГСЭМ является государственной информационно-аналитической и измерительной макросистемой с двумя основными иерархическими уровнями – федеральным и административно-территориальным. Организационные принципы построения ЕГСЭМ связаны с обеспечением целенаправленной деятельности различных ведомств, организаций, предприятий и других коллективов специалистов, вовлеченных в процесс получения экологической информации, ее сбором, хранением и передачей. Каждый из иерархических уровней организации ЕГСЭМ, органически связанный с соответствующим уровнем управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью, имеет свои особенности и принципы формирования.

Федеральный уровень организации системы экологического мониторинга образован для:

• организационного обеспечения процедур интеграции экологической информации, получаемой территориальными системами экологического мониторинга, государственными и ведомственными службами и сетями наблюдений;

• информационного обеспечения процедур принятия решений в области обеспечения экологической безопасности и охраны окружающей природной среды на федеральном уровне управления;

• информирования населения и общественности об экологической обстановке на территории страны и тенденциях ее изменения.

В организационные задачи федерального уровня ЕГСЭМ входит:

• координация работы государственных и ведомственных служб и сетей наблюдения за природными средами и природными объектами для получения целевых показателей состояния, диагностики и раннего предупреждения;

• координация функционирования территориальных систем экологического мониторинга;

• организация разработки и реализации единой научно-технической политики в области экологического мониторинга и экологической информации;

• организационное управление информационными потоками между различными ведомствами и территориальными органами;

• организационное обеспечение функционирования информационных и информационно-аналитических систем, обеспечивающих необходимыми данными процедуры принятия решений в области охраны окружающей среды и экологической безопасности на федеральном уровне;

• организационное взаимодействие с международными и национальными системами экологической информации и экологического мониторинга;

• организационное обеспечение единства данных наблюдения и экологических показателей.

Координация работы государственных и ведомственных служб и сетей наблюдения касается прежде всего координации программ наблюдения, выполняемых:

• Федеральной службой Российской Федерации по гидрометеорологии и мониторингу природной среды;

• Федеральной службой Российской Федерации по лесному хозяйству;

• Министерством сельского хозяйства и продовольствия Российской Федерации;

• Федеральной службой Российской Федерации по геологии;

• Комитетом Российской Федерации по рыбному хозяйству;

• Комитетом Российской Федерации по земельному кадастру;

• Департаментом санитарно-эпидемиологического надзора Минздрава РФ.

Такую координационную деятельность осуществляет в рамках ЕГСЭМ Министерство природных ресурсов, при этом каждая из государственных систем сохраняет свою функциональную и организационную деятельность. Как сложная информационно-измерительная система ЕГСЭМ имеет многофакторную структурную организацию. Так, по признакам целевого использования в ЕГСЭМ следует выделять структуры, относящиеся к мониторингу источников эмиссий; импактному мониторингу или мониторингу прямого воздействия конкретных источников на окружающую среду; фоновому мониторингу, не связанному с конкретными источниками воздействия.

По признакам объектов наблюдения, как уже отмечалось, в ЕГСЭМ следует различать структуры, ориентированные на мониторинг источников эмиссий; мониторинг абиотических сред (атмосферный воздух, поверхностные воды, геологическая среда, почвы); мониторинг биотических сред (растительность, животный мир, микроорганизмы); мониторинг геоэкосистем (совокупность экосистем с техногенной средой).

По признакам тематического использования в ЕГСЭМ следует выделять структуры, предназначенные для выполнения конкретных программ обеспечения экологической безопасности и охраны природной среды. Набор таких программ для территориального уровня экологического мониторинга определяется экологической обстановкой данной территории, следовательно, программный блок определяет индивидуальный облик территориальных систем экологического мониторинга и выполняет в них роль системогенерирующего элемента. Логическая структура программных систем определяет единообразие подходов к их разработке и содержанию. Для этих целей, опираясь на системную методологию, целесообразно выделить четыре иерархических уровня: стратегический, целевой, уровень задач, функциональный.

Стратегический уровень определяет облик блока программных систем в целом, отвечая на вопрос: что делать и в каких областях? Формируется стратегический уровень программных систем непосредственно программами мониторинга. В качестве примера можно привести несколько типичных для этих целей программ: мониторинг для реализации экосистемного подхода к охране воздушной среды;

мониторинг для реализации экосистемного подхода к водохозяйственной деятельности; мониторинг для ограничения воздействия атмосферных загрязнений на людей в городах и населенных пунктах.

Целевой уровень относится уже к конкретной тематической программе, указывая реальные и идеальные направления реализации ее стратегии, отвечая при этом на вопрос: для чего действовать? На этом логическом уровне определяются конкретные связи системы экологического мониторинга непосредственно с системой принятия решений.

Уровень задач конкретизирует и дифференцирует цели каждой тематической программы, отвечая на вопрос: как действовать и сколько действовать? На этом уровне уточняются объекты наблюдения и определяются способы их описания, т. е. выбираются информационные модели объектов наблюдения, включая перечень определяемых показателей.

Функциональный уровень определяет для каждой тематической программы виды действий и перечень проводимых работ, отвечая на вопрос: какой вид действий и какую работу требуется выполнить? Здесь прежде всего устанавливаются конкретные способы получения и оценки необходимых показателей, определяются аппаратно-технические средства для проведения измерений, устанавливается взаимосвязь между измерениями и математическими моделями.

Организация комплексных наблюдений, выполняемых в рамках территориальной системы экологического мониторинга, представляет собой сложную многофакторную задачу, которая решается с учетом принципов экосистемного подхода к различным видам деятельности и природопользования; принципов оценки воздействия на окружающую природную среду различных промышленных и других объектов; методологии идентификации состояния такого сложного объекта, как окружающая природная среда.

Сточки зрения идентификации состояния объекта наблюдения важную роль играет выбор информационной модели для наблюдаемого объекта и технологии получения информации для модели наблюдаемого объекта.

1.10. Структура информационно-аналитической системы единого экологического мониторинга

Система управления данными является одним из важнейших элементов ЕГСЭМ, который формируется путем организации двух основных иерархических уровней сбора, хранения, обработки, передачи и представления данных – федерального и территориального. В состав такой системы входят информационно-аналитические центры, соединенные между собой телекоммуникационными каналами. Федеральный уровень образуется Федеральным информационно-аналитическим центром (ФИАЦ) экологического мониторинга и выделенными информационными и информационно-технологическими центрами министерств и ведомств, осуществляющих руководство государственными и ведомственными службами наблюдения природных сред, природных и техногенных объектов. Основным элементом системы управления данными являются территориальные информационно-аналитические центры (ТИАЦ). Такие центры играют важную роль в организации и функционировании системы экологического мониторинга не только на территориальном, но и на федеральном уровне организации сбора, обработки, хранения и представления информации. С уровня ТИАЦ осуществляется информационное обеспечение лиц, принимающих решения в области охраны природы и обеспечения экологической безопасности на локальном, местном и территориальном уровнях. Как правило, такие центры осуществляют свою деятельность при непосредственном руководстве со стороны территориальных органов Минприроды. В ряде субъектов федерации принята другая схема управления ТИАЦ, например непосредственно с уровня администрации территории. Однако и в этом случае роль научно-методического руководства и многие другие управленческие задачи в деятельности ТИАЦ решаются непосредственно органами Минприроды.

ТИАЦ создается как один из важнейших сотовых элементов системы управления данными в ЕГСЭМ, обеспечивающий:

• сбор данных измерений и наблюдений от измерительных систем, пунктов наблюдения, специализированных аналитических лабораторий и т. д.;

• хранение данных измерений;

• обработку данных измерений и наблюдений с целью получения целевых показателей трех видов: показателей соблюдения, диагностики и раннего предупреждения;

• обработку данных измерений и полученных показателей с точки зрения их представления в виде, удобном для восприятия лицами, принимающими решения;

• формирование информационных потоков для передачи потребителям на территориальном и федеральном уровнях;

• хранение информации, не относящейся к экологическому мониторингу, однако необходимой для принятия решений в области охраны природной среды и экологической безопасности;

• контроль за выполнением специализированных и тематических программ мониторинга;

• прогноз изменения состояния природной среды при существующих и планируемых экологических нагрузках на территорию;

• контроль за выполнением экологических и санитарно-гигиенических нормативов, установление территориальных нормативов на основе информации экологического мониторинга.

Важная роль отводится ТИАЦ в плане формирования и ведения специализированных баз и банков данных. Особую роль играет составление и ведение кадастра воздушных и водных эмиссий, который формируется на основе инвентаризации источников загрязнения. По мере формирования систем мониторинга источников воздействия на базе инструментальных методов наблюдения в системе баз и банков данных происходит заполнение динамических систем хранения информации. Форматы представления и хранения информации должны давать возможность отображать эту информацию с помощью геоинформационных систем (ГИС) на электронных картах и в таком виде обеспечивать их доступность лицам, принимающим решения. Первые ГИС были созданы в Канаде и США около 25 лет назад. Сейчас в промышленно развитых странах существуют тысячи ГИС, используемых в экономике, политике, науке и образовании, управлении ресурсами и окружающей среды.

ГИС, или географические информационные системы – это комплекс программно-аппаратных технологических решений, предназначенных для сбора, систематизации, хранения и преобразования различных данных, систематизированных по географическому принципу.

Для отобранного участка прежде всего это топографическая информация, взятая из региональных геологических карт, аэро-, космофотографий.

Например, слои в проекте ГИС (рис. 1.6), в последовательности сверху вниз представляют: топографию участка, водные потоки, болота, ледниковые отложения, тектонические нарушения скального массива, состав геологических разностей.

Рис. 1.6. Проект в географической информационной системе

Геоинформационные технологии играют в системе управления данными в экологическом мониторинге важную роль не только как средство отображения информации в удобном для лиц, принимающих решения, виде, но и как важнейший инструмент идентификации состояния объекта управления. Действительно, практически все данные, характеризующие загрязненность природных сред, состояние растительности, расположение источников эмиссий, потоки веществ между природными средами и т. д., имеют явно выраженный пространственно-временной характер. Это обстоятельство позволяет в качестве информационной модели объекта управления использовать информационный портрет экологической обстановки как совокупность графически представленных пространственно распределенных данных на определенной территории совместно с картой-основой местности.

Одной из важнейших характеристик информационного портрета экологической обстановки является его разрешающая способность, т. е. пространственная детальность отображения в портрете информации. Разрешающая способность определяется масштабом используемой в портрете карты-основы. При движении информации по иерархическим уровням управления происходит ее обобщение в соответствии с используемым на данном иерархическом уровне масштабом карты-основы информационного портрета, при этом часть экологической информации будет теряться. Наиболее наглядно эта потеря может быть продемонстрирована на примере описания источников эмиссий. При изменении масштаба информационного портрета источники эмиссий, расстояние между которыми меньше разрешающей способности портрета, будут сливаться и выглядеть как объединенный точечный источник. В то же время такое обобщение информации или ее фильтрация представляют на соответствующих уровнях управления только те данные, которые необходимы управленческим структурам для решения задач в пределах своей компетенции.

Рассмотрим принципы построения информационной системы единого экологического мониторинга для региона городского типа. Для реализации комплексного подхода к решению задачи обеспечения экологической безопасности она в общем случае должна содержать следующие взаимосвязанные структурные звенья:

• базы и банки данных экологической, правовой, медико-биологической, санитарно-гигиенической, технико-экономической направленности;

• блок моделирования и оптимизации промышленных объектов;

• блок восстановления по данным измерений и прогноза распространения полей экологических и метеорологических факторов;

• блок принятия решений.

Для административных органов регионального управления можно выделить ряд функций, по которым возникает необходимость информационной поддержки принимаемых решений в области экологической безопасности жизнедеятельности населения, рационального энергопользования и энергосбережения. К таким функциям можно отнести:

• отчетность о результатах выполнения работ в рамках социально-экологического состояния региона и мерах по его улучшению;

• контроль текущего состояния окружающей среды, превышения предельно допустимых концентраций вредных и тому подобных веществ на подведомственной территории;

• планирование (годовое, квартальное) программ социального развития, изучения качества жизни населения, повышения экологической безопасности жизнедеятельности населения в регионе;

• управление в повседневной административной деятельности (разбор претензий, жалоб и конфликтов с юридическими и физическими лицами).

Для выполнения вышеперечисленных функций требуется полная и достоверная информация. Потоки информации, необходимой для адекватной оценки складывающейся ситуации и принятия управляющих или корректирующих решений, проходят разные стадии: получение, обработка и отображение информации, оценка ситуации и принятие решений. Столь многофункциональная система с большими объемами географически привязанной информации может быть эффективно реализована только с применением современных геоинформационных технологий.

Комплексность экологических проблем, связывая воедино задачи, решаемые разными специалистами, требует системного подхода к их решению, проявляющегося в конкретных действиях специалистов каждой отрасли. Структура информационного обеспечения системы экологического мониторинга отражает эту специфику. По функциональному назначению его целесообразно разделить на проблемно-ориентированные блоки (или слои) информации отдельных региональных служб, включая архитектурно-планировочные, коммунальные, инженерного обеспечения и др.

Рис. 1.7. Тематическая информация в региональной системе ЕЭМ

Информационное обеспечение системы ЕЭМ должно содержать следующие тематические слои информации (рис. 1.7):

• общая экологическая характеристика (атмосферный воздух, водоемы, почва, санитарно-эпидемиологические условия и др.);

• источники негативного воздействия на окружающую среду (выбросы и сбросы, твердые отходы и др.);

• зонирование территорий (объекты производственного назначения, селитебные территории, административные здания и др.);

• система охранных территорий (памятники истории и архитектуры, водоохранные зоны и др.);

• инженерно-технические и транспортные коммуникации (магистрали наземного и подземного видов транспорта, теплотрассы, линии электропередачи и др.);

• здравоохранение и социально-бытовые условия;

• нормативные и правовые документы;

• перспективы развития региона.

Одним из важнейших элементов системы являются данные об объективном состоянии окружающей среды. Для примера рассмотрим структуру баз данных с показателями качества атмосферного воздуха.

Состояние атмосферного воздуха характеризуется в первую очередь результатами экспериментального определения наличия в нем тех или иных загрязняющих веществ и их концентраций. Данная информация складывается из результатов периодического пробоотборного анализа, проводимого в регионе соответствующими государственными организациями (например, органами санитарно-эпидемиологического надзора), и данных, поступающих со стационарных постов непрерывных экологических наблюдений. Поэтому картографическая база данных по контролю атмосферы должна содержать полную информацию о местах контроля (адреса точек отбора проб), времени проведения замеров, погодных условиях в момент забора проб, концентрации измерявшихся ингредиентов. На основе такой информации современные геоинформационные системы (ГИС) позволяют решать задачи интерполяции – восстановления непрерывных полей по дискретным данным, задачи комплексной оценки воздействия на экологическую ситуацию региона полей загрязнений различных ингредиентов и др.

Тематическая информация, касающаяся расположения и конфигурации основных источников загрязнения окружающей среды, должна быть представлена соответствующими электронными картами. В связанных с ними таблицах целесообразно хранить общие сведения о предприятиях региона (название, адрес, администрация и т. д.). Такие базы данных в совокупности с соответствующими картами позволяют получать ответы на следующие запросы:

• что представляет собой объект, выделенный на карте;

• где он расположен;

• какие объекты выбрасывают определенные вредные вещества;

• какие предприятия выбрасывают данное вредное вещество в объеме больше заданного;

• какие вещества выбрасывает данное предприятие и в каком объеме;

• какие предприятия превышают нормативы ПДВ;

• у какого предприятия просрочено действие разрешения на выброс;

• у какого предприятия задолженность по выплатам за выбросы в атмосферу.

Данные об инженерно-технических и транспортных коммуникациях должны храниться в ГИС ЕЭМ также в виде соответствующих карт и тематических баз данных. Следует отметить, что для инженерно-технических коммуникаций целесообразно иметь в базе данных и дополнительную графическую информацию в виде схем, чертежей и пояснительных документов, необходимых для их безопасной эксплуатации (ГИС предоставляет широкие возможности работы с такой информацией).

В базах данных по транспортным магистралям должны содержаться такие экологические показатели, как интенсивность движения, спектр и объем вредных выбросов на единицу длины, виброакустические данные и др. Очевидно, что названные показатели изменяются на разных участках магистрали. Поэтому при картировании магистрали представляются в виде совокупности взаимосвязанных дуг, каждой из которых в базе данных ставятся в соответствие ее характеристики. В целом графические и тематические базы данных по транспортным магистралям должны обеспечивать выполнение запросов:

• какое количество заданного вредного вещества выбрасывается по всей длине транспортной магистрали;

• на какой магистрали выбрасывается максимальное количество определенного вредного вещества или всех веществ вместе;

• каково общее количество транспортных единиц, следующих по заданной магистрали, или количество транспортных единиц заданного вида;

• какая магистраль (или участок какой магистрали) является наиболее нагруженной в транспортном отношении.

Изображение автомобильных магистралей на карте линиями различной ширины в зависимости от интенсивности движения транспорта по ним или объема выбросов загрязняющих веществ автомобилями на различных участках магистралей упрощает анализ транспортной ситуации, а одновременное использование базы данных позволяет получить любую интересующую пользователя информацию.

Дополнительные возможности для анализа экологической ситуации предоставляют оверлейные операции по наложению слоев информации в ГИС. Так, одновременный вывод на экран полей концентрации оксида углерода, построенных по результатам ее измерений, и выбросов этого загрязнителя вдоль транспортных магистралей позволяет сделать вывод об источнике экологической опасности и принять соответствующие меры по ее устранению.

Кроме распространенных баз данных в системе информационного обеспечения ЕЭМ особое значение имеет блок моделирования распределения полей концентрации загрязняющих веществ на основе общих показателей работы промышленных объектов или других источников загрязнения и степени их воздействия на окружающую среду. Такие расчеты необходимы при анализе неблагополучной экологической ситуации в регионе для выявления ее виновников (вместе с анализом данных прямых измерений или вместо них, когда их получение не представляется возможным) или при прогнозировании экологической обстановки при вводе в действие или реконструкции тех или иных источников антропогенного воздействия на окружающую среду и определении размера затрат на уменьшение количества вредных выбросов в окружающую среду. Точность моделирования текущей ситуации в этом случае, как правило, невелика, но достаточна для выявления очагов загрязнения и выработки адекватного управляющего воздействия на технологическом и экономическом уровнях. В настоящее время существует ряд методик и самостоятельных программных средств (не входящих в состав ГИС), позволяющих определять поля концентраций загрязняющих веществ по результатам решения уравнений, описывающих с той или иной степенью приближения рассеяние примесей в атмосфере или водной среде. В качестве нормативной для моделирования процессов в атмосфере утверждена методика ОНД-86.

Широкие интеграционные возможности ГИС позволяют использовать в качестве источников информации внешние специализированные расчетные модули и программные средства.

Таким образом, геоинформационная система ЕЭМ позволяет эффективно реализовать комплексный подход к решению задач обеспечения экологической безопасности региона и создает единое информационное пространство для служб управления регионом.