Геомоделирование процессов самовосстановления горнопромышленных территорий Крайнего Северо-Востока России (01.06.2009)

Автор: Якубович Анатолий Николаевич

l – расстояние до точки соприкосновения траектории солнечного импульса с поверхностью земли, м;

lmax – длина траектории солнечного импульса в атмосфере, м;

p, T – атмосферное давление (Па) и температура воздуха (°K);

fi – вероятность попадания влажности воздуха в i-й диапазон моделируемых значений;

fт – вероятность образования тумана;

kв, kн – коэффициенты поглощения для верхней и нижней облачности;

nв, nн – интенсивность верхней и нижней облачности, баллов.

При моделировании приходящей солнечной энергии осуществляется определение средней удельной энергии E?(, приходящей за 1 с на 1 м2 земной поверхности, по отдельным спектральным диапазонам ?( (5). Моделирование значений E?( производится для каждой опорной точки и для всех интервалов времени в течение моделируемого года, когда высота солнца h > 0:

, ( 5 )

– усредненная по диапазону ?( спектральная плотность потока солнечной радиации, Вт/(м2·м);

p((ср) – усредненное по диапазону ?( значение функции пропускания;

?( – длина спектрального диапазона, м.

Модель средней годовой динамики солнечной энергии позволяет получить ряд суммарных значений приходящей солнечной энергии по каждым суткам моделируемого года – 365 значений для каждой опорной точки. Суммирование в пределах каждых суток осуществляется по всем интервалам времени, для которых h > 0, и по всем моделируемым спектральным диапазонам.

и удельной энергетической обеспеченности наиболее эффективного периода вегетации ?E+5, определяемых на основе моделируемых суточных значений приходящей солнечной энергии E и температуры воздуха t (6):

где E – суточное поступление солнечной энергии на территорию, МДж;

t – минимальная суточная температура воздуха, °С.

Система параметров, характеризующих состояние природных комплексов на территории, основана на показателях природно-генетического потенциала почв и включает в себя удельные, в расчете на единицу площади, количества фитомассы Ф, органического вещества О и прироста фитомассы в течение вегетативного периода П. Моделирование начальных значений параметров состояния основано на анализе видов и объемов горных работ на территории, включая и мероприятия по рекультивации; в результате определяется степень понижения количеств фитомассы и органического вещества. При выполнении районирования территории по показателям самовосстановительного потенциала начальные значения параметров состояния назначаются в процентах от гомеостазисных значений, что подразумевает одинаковую по всей рассматриваемой территории начальную степень повреждения природных комплексов.

Моделирование гомеостазисных значений параметров состояния осуществляется с использованием регионального банка геоинформации, содержащего карту почвенных комплексов и сведения об эталонных участках территории (значения параметров состояния природных комплексов при достижении динамического равновесия). Моделирование производится на основе аппроксимации зависимости гомеостазисных значений от показателей средней годовой динамики солнечной энергии; для всех трех параметров состояния аппроксимирующий полином имеет вид (7) и различается значениями коэффициентов:

где P0 – гомеостазисное значение параметра состояния (Ф0, О0 или П0), ц/га;

k1–k10 – коэффициенты, определяемые методом наименьших квадратов по данным ближайших эталонных участков с однотипными почвами.

, отражающие прекращение самовосстановительных процессов при достижении параметрами состояния природных комплексов своих гомеостазисных значений.

, ( 8 )

где Ф, О – удельные количества фитомассы и органического вещества, ц/га;

П – прирост фитомассы в течение вегетативного периода, ц/га;

(Ф, (О – годовые изменения в количествах фитомассы и органического вещества, ц/га.

Моделирование динамики параметров состояния заключается в последовательном определении, на основании (8), годовых приростов фитомассы и органического вещества ?Ф и ?О, зависящих в конечном счете от текущих значений Ф и О, а также от промежуточного параметра вычислений П. В результате динамика параметров состояния представляется в виде рядов значений Ф, О и П, разделенных промежутками в один год. Анализ временных последовательностей значений Ф и О дает возможность зафиксировать прогнозируемую продолжительность периодов самовосстановления природных комплексов на территории до уровней, определяемых интервальными значениями.

Таким образом, зависимости (1) – (8) являются основой методов геомоделирования средней годовой динамики солнечной радиации и динамики состояния природных комплексов горнопромышленных территорий при самовосстановительных процессах, основанных на многолетних климатических данных и программно реализованных в составе математического обеспечения геоинформационной системы (третье научное положение).

В третьей главе дана характеристика региональной геоинформационной системы как средства моделирования самовосстановительных процессов, приведена ее структура, выполнена фасетная классификация информационных массивов и описана их логическая организация.

Специализированная геоинформационная система разработана с целью практической реализации геомодели самовосстановительных процессов горнопромышленных территорий. Прогнозирование и управление процессами самовосстановления горнопромышленных территорий, выполняемые с помощью геоинформационной системы, основаны на программно реализованных в составе ГИС методах имитационного моделирования динамики состояния природных комплексов. Геоинформационная система позволяет также оптимизировать процессы природопользования на основе экологически сбалансированного планирования производства горных работ на территории региона, минимизирующего повреждение природных комплексов на горнопромышленных территориях; оценка уровней возможных повреждений базируется на моделировании процессов самовосстановления. Фактографическая часть системы основана на пространственно-координированных данных, характеризующих территорию Крайнего Северо-Востока России (рис. 6).

Рис. 6. Геоинформационная система оценки и прогнозирования

самовосстановительных процессов

Геоинформационная система является инструментом для поддержки принятия управленческих решений по экологически рациональному освоению горнопромышленной территории; элементы ее алгоритмической части являются обобщенными операторами, основанными на методах геомоделирования самовосстановительных процессов и осуществляющими преобразование послойно организованной геоинформации.

Формализованная структура реализованной в составе ГИС геомодели самовосстановительных процессов показана на рис. 7.

Рис. 7. Формализованная структура геомодели самовосстановительных процессов

– моделирование динамики параметров состояния, FT – определение прогнозных периодов самовосстановления.

Реализованные в геоинформационной системе методы прогнозирования состояния природных комплексов дают возможность управления экологическим состоянием горнопромышленных территорий. Управление осуществляется на основе экологически сбалансированных планов производства горных работ, обеспечивающих наименьшие суммарные повреждения горнопромышленной территории по состоянию на заданный момент времени; моделирование степени повреждения территории производится с учетом частичного самовосстановления природных комплексов. В результате становится возможным формирование как рекомендуемой последовательности выполнения горных работ на территории, так и перечня реализуемых рекультивационных мероприятий, обеспечивающих экологически целесообразные сроки восстановления природных комплексов.

На рис. 8 показана структура геомодели экологически сбалансированного освоения территории. Модель использует информацию регионального банка данных R и экзогенные параметры моделирования I, включает набор алгоритмов F, интерфейсом между которыми служат соответствующие информационные массивы M.

Рис. 8. Формализованная структура экологически рационального планирования

освоения горнопромышленной территории

– определение обобщенных показателей теоретически оптимального плана.


загрузка...