Лингвистические и нечетко-логические методы дистанционно-компьютерной оценки воздействия на лесные массивы в районе аварий магистральных трубопроводов
Зависимость "доза-эффект" как интегральная оценка воздействия на лесные массивы техногенных аварий
Теория "доза-эффект" зависимостей для лесных экосистем разработана в Центре по проблемам экологии и продуктивности лесов РАН и в РХТУ им. Д.И.Менделеева. Большой вклад в развитие теории "доза-эффект" зависимостей для лесных массивов внесли профессора Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., Степанов А.М., Черненькова Т.В. и др.
При построении зависимостей "доза-эффект" "доза" - это оценка собственно физико-химического техногенного воздействия (выбросы, стоки, отходы, пожары, взрывы) на ОПС (например, превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) или предельно допустимых выбросов (ПДВ)); "эффект" - это оценка изменения состояния собственно объектов и экологических систем ОПС под влиянием техногенных воздействий.
При разливах нефти важное значение имеет разделение территории разлива на зоны экологического бедствия. В теории "доза-эффект" зависимостей для лесных экосистем выделяют три главные экологические зоны: импактную, буферную и фоновую. При этом графики функций доза - эффект зависимостей позволяют получить объективные критерии для разграничения загрязненных нефтью лесных массивов на три типа экологических зон. На рис.4.1.1 приведен пример экспериментальной кривой "доза-эффект" зависимости для лесных экосистем на Южном Урале.
Как следует из рис.4.1.1, в первом приближении "доза-эффект" зависимости можно представить с помощью логистической функции. Однако в ряде случаев такое упрощение не применимо и графики "доза-эффект" зависимости имеют более сложный характер. Выделяют четыре различных типа графиков "доза-эффект" зависимостей, которые приведены на рис.4.1.2. Поэтому вопрос о зонировании лесов по "доза-эффект" зависимостям представляется гораздо более сложным.
Рис.4.1.1. Экспериментальная кривая "доза-эффект" зависимости для лесных экосистем на Южном Урале: "доза" - суммарная нормализованная концентрация "тяжелых металлов"; "эффект" - интегральный коэффициент сохранности лесов.
Рис.4.1.2. Различные типы графиков "доза-эффект" зависимостей для лесных экосистем: а - выраженные пороги токсического воздействия загрязнителей и полной деградации лесных массивов; б - явление стимуляции вблизи порога токсического воздействия; в - логистическая зависимость; г - отсутствуют пороги токсического воздействия и полной деградации
Если предположить, что главную роль в развитии лесных экосистем играют "доза-эффект" зависимости логистического типа, то экологическое зонирование можно проводить, используя особенности логистической кривой. Обозначим эффект - Y, а дозу - X. Для выделения зон деградации лесных массивов необходимо изучение зависимостей Y(X). Нелинейная логистическая "доза-эффект" зависимость достаточно хорошо описывается функцией Ричардса. Для логистической зависимости, показанной на рис.4.1.1, функция Ричардса имеет следующий вид:
где а1 и а0- значения верхней и нижней асимптот логистической кривой, коэффициенты а, Д у описывают ее положение и крутизну.
На рис.4.1.3 представлена теоретическая логистическая кривая, построенная по формуле (4.1.1), а также ее производные первого, второго и третьего порядков, при следующих значениях параметров:
а0=0, а, =100, а = 100, Д = 0.005, у = 5.
На графиках рис.4.1.1 минимум первой производной dY/dX соответствует координате Хс = 0,32 и отмечает центр зоны кризиса или зоны критических нарушений. Максимум второй производной d2Y/dX2 соответствует координате Хр - 0,55 - центру буферной зоны. Третья производная имеет два экстремума: точка максимума Ху - 0,25 и точка минимума Хт - 0,75, которые также являются критическими точками логистической кривой.
Перечисленные особые точки являются объективными критериями для экологического зонирования лесных территории и ранжирования лесных участков в районах разливов нефти. Поставим в соответствие этим особым точкам пять экологических зон и введем соответствующие этим зонам лингвистические термы. Результаты представлены в табл.4.1.1. Точки экстремумов первой, второй и третьей производной функции доза - эффект являются объективными критериями для выделения зон техногенной деградации лесов. В некоторых случаях для экологического зонирования лесных территорий могут быть использованы также космические снимки. При этом необходимо использовать корреляционную связь: оптическая плотность космического снимка - интегральные индексы.
Рис.4.1.3. Графики теоретической логистической кривой, построенной по формуле (4.1.1) и ее производных первого и второго порядков: а - логистическая функция Ричардса, б, в и г - производные первого, второго и третьего порядков функции Ричардса
В теории "доза-эффект" зависимостей в качестве эффекта используют интегральный коэффициент сохранности (ИКС), вычисленный по биогеоценоти- ческим показателям. Дозой при нефтяных разливах является концентрация нефти в верхних слоях почвы. ИКС, использованный для построения графика на рис.4.1.1, вычислен с помощью следующих девяти биогеоценотических показателей: запаса древесины, массы хвои, жизненности доминантов, проективного покрытия, фитомассы и видового разнообразия травяно- кустарничкового яруса, видового разнообразия, мощности и запаса подстилки. Экспериментальный максимум третей производной соответствует первой критической точке Xt=22,342%, которая обозначает порог токсического воздействия и границу фоновой зоны. Минимум третей производной соответствует критической точке Х-г64,258%, которая обозначает начало импактной зоны.
Различные типы зон лесных экосистем могут быть отображены с помощью качественного описания в виде различных лингвистических термов (переменных) предметной области и количественных нормированных значений дозы.
Таблица 4.1.1. Отображение экологических зон лесов с помощью _ лингвистических термов_
|
N/n |
Нормированная доза |
Лингвистический терм |
Описание предметной области |
|
1 |
0 - 0,25 |
Фоновая зона |
зона обратимых нарушений лесного покрова, в которой возможен эффект стимуляции при малых токсических нагрузках (уровень дозы 0,25 - назовем порогом токсического воздействия) |
|
2 |
0,25 - 0,32 |
Зона риска |
зона слабых необратимых или допустимых нарушений лесного покрова; при этом отсутствуют явные признаки нарушений |
|
3 |
0,32 - 0,55 |
Буферная зона |
ослабленные деревья, характеризующиеся слабо ажурной кроной (повреждением до 1/3 фотосинтезирующего аппарата), укороченным приростом в высоту, усыханием отдельных ветвей и отдельных корневых лап |
|
4 |
0,55 - 0,75 |
Зона деградации |
сильно ослабленные деревья с ажурной кроной (с повреждени- |
|
ем и усыханием до 2/3 фотосин- тезирую-щего аппарата), с сильно укороченным приростом или без него, суховершинные, со значительными повреждениями или поражениями ствола, корневых лап, а также с частичным заселением дерева стволовыми вредителями |
|||
|
5 |
0,75 -1 |
Импактная зона |
зона экологического бедствия- территория лишенная лесного покрова или с отдельными лесными участками, для которых характерны усыхающие деревья с сильно изреженной кроной или только отдельными живыми ветвями (с повреждением более 2/3 фотосинтезирующего аппарата), при этом листва (хвоя) желтеет и осыпается, текущего прироста по высоте нет, по стволу и корням возможны насечки и единичные свежие поселения стволовых вредителей, а также сухие деревья, усохшие в текущем году или в прошлые годы; хвои (листвы) нет, кора и мелкие веточки легко отваливаются |
Из рис.4.1.3а следует, что имеется центральная зона, которая (см. табл.4.1.1) получила название буферной зоны. При делении термов на положительные и отрицательные эта зона могла бы быть принята в качестве нейтрального терма. В качестве нейтрального терма может быть выбрана также вторая зона - зона риска. Центральная точка зоны риска - Xg = 0,29 разделят пораженные разливом нефти лесные участки на две группы, которые могут быть названы классами с "положительным и отрицательным состоянием" экосистемы.
В качестве первого этапа выделения экологических зон необходимо провести кластеризацию лесных участков. Рассмотрим случай, когда количество кластеров совпадает с количеством лингвистических термов. Блок-схема алгоритма экологического зонирования представлена на рис.4.1.4. Согласно блок-схеме алгоритма сопоставление кластеров лингвистическим термам должно начинаться с нахождения центрального кластера, центроид которого должен быть расположен предельно близко к центру зоны риска - Xg - 0,29 , т.е. должен находиться в интервале:
Далее алгоритм идентификации разделяет все кластеры на две группы: с положительным и отрицательным состоянием экосистемы. Кластеры с положительным состоянием расположены в диапазоне дозы: 0 - 0,26, а кластеры с отрицательным состоянием в диапазоне 0,32 - 1.
