Размещено на http://www.allbest.ru/

НацІональна академІя наук украЇНИ

Інститут проблем моделЮВАННя в ЕнергетиЦІ ім. Г.Є. Пухова

ЯЦИШИН Андрій Васильович

УДК 577.34:612.014.482; 614.876+005

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ РАДІОЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ТЕРИТОРІАЛЬНО-РОЗПОДІЛЕНИХ ОБ'ЄКТІВ НА ПРИКЛАДІ ЖИТОМИРСЬКОЇ ОБЛАСТІ

01.05.02 - математичне моделювання та обчислювальні методи

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України.

Науковий керівник - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Сердюцька Людмила Федорівна, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Лисиченко Георгій Віталійович, Інститут геохімії навколишнього середовища НАН та МНС України, відділ проблем екологічної безпеки, завідувач;

кандидат технічних наук Афанасьєва Олеся Юрій-Юстинівна, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, відділ математичного і економічного моделювання, старший науковий співробітник

Провідна установа - Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра прикладної математики, Міністерство освіти і науки України, м. Київ

Захист відбудеться “27“ жовтня 2005р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою:

03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (03164, м. Київ, вул. Генерала Наумова, 15).

Автореферат розісланий “20“ вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Семагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

комп'ютерний моделювання радіоекологічний прогнозування

Актуальність проблеми. За умов посиленого техногенного забруднення території України актуальними є дослідження й прогнозування складних радіоекологічних ситуацій методами математичного моделювання, багатовимірного статистичного аналізу, які реалізовано у програмних засобах і сучасних методах комп'ютерної візуалізації даних. Через відсутність такого комплексного інструментарію виникає потреба в розробці спеціалізованих систем візуалізації радіоекологічних баз даних з використанням сучасних ГІС технологій, призначених для збору, зберігання й обробки інформації та відображення на картах стану досліджуваних територіально-розподілених об'єктів, зокрема таких, що постраждали внаслідок аварії на ЧАЕС. Тематика дисертаційної роботи є актуальною, оскільки присвячена розробці такої спеціалізованої системи візуалізації радіоекологічних баз даних.

Зв'язок роботи з державними програмами, планами та науковими темами. Дисертаційна робота виконувалась в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова Національної академії наук України в рамках наступних науково-дослідних робіт: ”Створення математичних моделей міграції радіонуклідів в екосистемах зони відчуження (в тому числі, трофічними ланцюгами, що ведуть до людини) з метою короткострокового та довгострокового прогнозування радіологічної ситуації та випереджаючої оцінки ризику для здоров'я людини від забрудненого радіонуклідами навколишнього середовища”, № ДР 0199U002714, 2001 р.; „Розробка інтелектуального інтерфейсу системи візуалізації екологічних баз даних для підтримки прийняття рішень в задачах радіоекологічного моніторингу”, 2002-2003 рр., де автор був виконавцем; в темі „Автоматизированная система визуализации экологического загрязнения Житомирской области”, 2004 р. автор був відповідальним виконавцем.

Мета і задачі роботи. Мета роботи - розробка методів математичного моделювання, спрямованих на дослідження радіоекологічного стану територіально-розподілених об'єктів для вирішення задач прогнозування можливих ситуацій.

Для досягнення зазначеної мети були поставлені й вирішені такі основні задачі:

1. Визначення специфічних вимог до комп'ютерних методів моделювання радіоекологічних ситуацій.

2. Дослідження відповідності сучасних методів моделювання радіоекологічних ситуацій сформованим вимогам для використання у системах підтримки прийняття рішень у задачах радіоекологічного прогнозування.

3. Якісний аналіз і дослідження на стійкість базової математичної моделі переносу радіонуклідів в агроекосистемах; розробка комп'ютерної процедури розрахунків вмісту радіонуклідів у окремих складових моделі.

4. Розробка архітектури програмного комплексу на основі існуючого програмного забезпечення, що виконує побудову й чисельний аналіз математичної моделі для візуалізації радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів за допомогою процедур ізолінійного моделювання.

5. Верифікація розробленої комп'ютерної системи моделювання й прогнозування радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів за даними медико-екологічного моніторингу Житомирської області.

Об'єктом дослідження є процес переносу радіонуклідів в агроекосистемах екологічними і трофічними ланцюгами.

Предметом досліджень є комп'ютерні методи побудови математичних моделей переносу радіонуклідів в агроекосистемах територіально-розподілених об'єктів.

Методи дослідження. У роботі використовувались методи комп'ютерного моделювання, чисельні методи вирішення систем диференціальних рівнянь, статистичний метод головних компонент і методи інтерполяції двовимірних функцій.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

1. Сформовано математичну модель, яка відповідає визначеним вимогам для розв'язку задач моделювання радіоекологічних ситуацій.

2. Запропоновано алгоритм чисельного аналізу математичних моделей процесів переносу окремо взятих 18 радіонуклідів екологічними і трофічними ланцюгами.

3. Розроблено процедури математико-картографічного моделювання радіоекологічних ситуацій, які дозволяють візуалізувати результати чисельного аналізу процесів переносу радіонуклідів на карті регіону.

4. На основі процедур математико-картографічного моделювання радіоекологічних ситуацій розроблено метод побудови просторово-розподілених кореляційних зв'язків між прогнозними значеннями радіоекологічного забруднення і репродуктивним здоров'ям жіночого населення сільської місцевості.

5. Розроблено програмний комплекс, який реалізує алгоритм чисельного аналізу процесів переносу радіонуклідів, процедур математико-картографічного моделювання радіоекологічних ситуацій для візуалізації результатів прогнозних розрахунків радіоекологічного забруднення і просторово-розподілених кореляційних зв'язків.

6. Розроблено структуру бази даних радіоекологічного забруднення регіонів Житомирської області (Лугинський, Олевський, Овруцький і Народицький райони), яка відрізняється тим, що візуалізація даних медико-екологічного моніторингу подається не тільки у вигляді звичайних діаграм, а і на карті регіону. База даних містить 20 радіоекологічних показників забруднення по 180 сільських населених пунктах за 1985-2004 рр.

7. На статистичних даних радіаційного забруднення Житомирської області розрахована прогнозна динаміка розвитку радіоекологічного стану території терміном на 1 місяць та на 1 рік. Такі розрахунки необхідні для підтримки прийняття управлінських рішень в умовах штатних і надзвичайних ситуацій.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методика, алгоритми та програмні засоби істотно спрощують аналіз даних для користувача, забезпечують комплексне вирішення задач радіоекологічного прогнозу і можуть застосовуватись для підтримки прийняття управлінських рішень за умов штатних і надзвичайних ситуацій.

Основні результати досліджень знайшли практичне застосування в наступних підприємствах:

· Продовольча компанія „Екопродукт”(акт №497 від 21.02.2005);

· ТзОВ „Фотокераміка”(м. Івано-Франківськ);

· Дочірнє підприємство „Новоград - Волинський лісгосп АПК” (акт №35 від 21.03.2005).

Результати роботи є основою проекту „розробка геоінформаційної системи візуалізації медико-екологічного моніторингу України”, який відзначено грамотою учасника четвертого конкурсу науково-технічних проектів „інтелектуальний потенціал молодих вчених - місту Києву” у напрямку „охорона довкілля та раціональне природокористування”, 2004 рік.

Особистий внесок. Всі наукові результати, подані у дисертації, одержані автором особисто. У роботах, написаних у співавторстві, автору належать: [3] - розробка концептуальної структури й головних форм подання інформації в базі даних; [4] - алгоритм візуалізації медико-екологічних даних на прикладі Житомирської області; [1, 6] - візуалізація підготовлених даних радіоекологічного забруднення із застосуванням геоінформаційних систем (ГІС).

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися та обговорювались на наступних наукових конференціях і семінарах: V Міжнародному енергоекологічному конгресі “ЕНЕРГЕТИКА. ЕКОЛОГІЯ. ЛЮДИНА" (Київ, 2005 р.); науково-практичні заходи у рамках спеціалізованої виставки „Пожежна та техногенна безпека України - 2005” (Київ, 2005 р.); семінарі „Невирішені проблеми сучасної радіоекології” Інституту агроекології і біотехнології Української академії аграрних наук (Київ, 2005 р.); Міжнародній конференції ”InterCarto9” - “ГІС для сталого розвитку територій” (Новоросійськ - Севастополь, 2003); III Міжнародному з'їзді з радіаційних досліджень (радіобіологія і радіоекологія) (Київ, 2003 р); Міжнародній конференції ”Антропогенно змінене середовище України: ризики для здоров'я та екологічних систем” (Київ, 2003 р.); наукових конференціях Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України (Київ, 2003-2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 6 наукових праць, з них 4 статті у фахових наукових виданнях за переліком, затвердженим ВАК України, та 2 у працях міжнародних науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі 168 стор. тексту, 46 рис., 9 табл.; містить вступ, чотири спеціальних розділи, висновки, список використаних джерел, три додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність напрямку досліджень, відбито зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачі досліджень, показано наукову новизну отриманих результатів і практичну цінність роботи, наведено відомості про апробацію результатів і їхнє впровадження.

У розділі 1 розглянуто основні методи математичного моделювання впливу радіоекологічного забруднення територій на стан здоров'я населення на основі медико-екологічного моніторингу і наведено широкий огляд літературних джерел, пов'язаних з цією темою.

При описі методологічної частини роботи і теоретичних узагальнень автором розглянуто основні поняття медико-екологічного моніторингу. Найбільш загальним чином моніторинг можна визначити як постійне спостереження за яким-небудь процесом з метою виявлення його відповідності бажаному результату або первісним задачам - спостереження, оцінка й прогноз стану навколишнього середовища внаслідок діяльності людини. Існування великої кількості різних систем моніторингу породжує необхідність їх певного упорядкування. Одним з видів таких систем є медико-екологічний моніторинг, що розуміють як динамічний контроль за зміною стану здоров'я населення, пов'язаного із тривалим впливом несприятливих техногенних факторів навколишнього середовища. У цьому випадку стан здоров'я населення може розглядатися як його біоіндикатор.

Зараз принципово важливим є впровадження новітніх інформативних методів, що піддаються автоматизації, для візуалізації медико-екологічних баз даних для оцінки стану територіально-розподілених об'єктів із застосуванням геоінформаційних систем (ГІС).

Поєднання математичних і картографічних моделей може бути найрізноманітнішим і виражатися як у простих формах, так й у вигляді складного ітераційного процесу. Останній будується з елементарних, найпростіших моделей-ланок. Схематично така модель виражається в такий спосіб: дані + математична модель = результат моделювання. Під словом "дані" можуть розумітися відомості, зняті з карти, статистичні дані, моніторингові дані, прогнозовані (модельні) дані тощо, результатом моделювання буде тематичний зміст карти. На початковому етапі моделювання, або на кінцевому або відразу на цих двох етапах повинна бути картографічна модель, у противному випадку таке моделювання вже не можна буде назвати математико-картографічним. Математико-картографічна модель подає математичний і картографічний елементи разом. Математико-картографічне моделювання - це складний процес системного аналізу й візуалізації багатовимірної екологічної інформації з використанням і перетворенням картографічних моделей для одержання нових знань.

У цьому ж розділі також описаний набір різних інструментальних засобів для математичного моделювання екологічних процесів, сучасні ГІС і визначені вимоги до комп'ютерних методів і системи для моделювання радіоекологічних ситуацій.

Розділ 2 присвячено питанням проектування й реалізації автоматизованої системи візуалізації екологічного забруднення на прикладі Житомирської області. У розробленій автоматизованій системі візуалізації реалізовано функції нагромадження інформації про фактори, що впливають на природне середовище, реакції біологічної системи на їхній вплив, оцінки фактичного стану навколишнього середовища й прогнозування його розвитку.

Робота проводилась по чотирьох районах Житомирської області, що найбільш постраждали від аварії на Чорнобильській АЕС: Лугинському (50 сіл), Народицькому (47 сіл), Олевському (45 сіл) і Овруцькому (47 сіл). Екологічні показники включали: радіаційне забруднення (щільність випадання 137Cs на ґрунт, вміст у продуктах харчування), мінеральні добрива й пестициди (витрата на 1 га ріллі й на душу населення), важкі метали (концентрація в ґрунті). Обстеження жіночого населення сільської місцевості проводилося в доаварійний і післяаварійний періоди. Як медичні показники, що характеризують репродуктивне здоров'я жінок, які проживають у даній місцевості, розглядалися: загальна кількість народжених дітей, кількість мертвонароджених дітей, число аномалій при народженні, число мимовільних викиднів і т.д.

Автоматизована система візуалізації екологічного забруднення Житомирської області складається з 5 підсистем й 3 блоків:

1. Підсистема відображення карти.

2. Підсистема побудови діаграми.

3. Підсистема формування звітів.

4. Підсистема введення даних.

5. Підсистема ведення списку показників.

6. Блок керування.

7. Блок вирішення запитів.

8. Блок інтерактивної роботи з користувачем.

Автоматизована система візуалізації була реалізована у середовищі ОС Windows 2000 в об'єктно-орієнтованому середовищі розробки Delphi 6.0.

Вертикальна вісь діаграми містить відомості про одиниці виміру й відповідну шкалу (максимальне значення відповідає максимальному значенню показника, мінімальне - 0). На горизонтальній осі відкладені роки, для яких у БД є значення поточного показника в заданому населеному пункті.

У розділі 3 розглядаються основні етапи побудови базової математичної моделі переносу радіонуклідів в агроекосистемах на основі камерних моделей. Проведено якісний аналіз цієї моделі й автоматизована процедура розрахунку вмісту радіонуклідів в окремих її складових за допомогою математичного програмного середовища MATLAB 7.

Базова модель заснована на концептуальній блок-схемі переносу радіонуклідів (на прикладі 131I й 137Cs) по екологічних і трофічних ланцюгах, розроблена Міжнародною Комісією з радіаційного захисту (МКРЗ). Модель (1) належить до типу камерних моделей і складається з дев'яти звичайних диференціальних рівнянь зі змінними параметрами:

(1)

Де xi - концентрація (активність) радіонукліда в камері i, одиниці виміру різні: x1 - наземна частина врожаю (Бк/м2), x2 - ґрунт під посівами (Бк/м2), x3 - пасовищна трава (Бк/м2), x4 - ґрунт на пасовищі (Бк/м2), x5 - підземна частина врожаю (Бк/м2), x6 - недоступне депо ґрунту (Бк/м2), x7 - м'ясо великої рогатої худоби (Бк/кг), x8 - молоко (Бк/л), x9 - яйця (Бк/кг);

· t - час, доба;

· лR - постійна радіоактивного розпаду, доб-1;

· i,j, - коефіцієнт переносу, що характеризує потік з камери j у камеру i;

· b, m, l - постійні швидкості біологічної елімінації радіонукліда відповідно з м'яса, молока і яєць, доб-1;

· fb, fl - частки засвоєння хімічних елементів відповідно молодняком великої рогатої худоби (для перекладу загального вмісту радіонуклідів у м'ясі в концентрацію в 1 кг м'яса, 1/кг) і молочною худобою (для перекладу загального вмісту радіонуклідів у молоці в концентрацію в 1 л молока, 1/л);

· Ae, Аg - середня площа, необхідна для виробництва відповідно овочів і фруктів, споживаних однією людиною, і для прокорму однієї сільськогосподарської тварини (м2);

· De, Dg, - запаси біомаси посіву відповідно продовольчих культур і пасовищної рослинності, кг/м2;

· Vc, Vh - середньодобове споживання відповідно трави всією худобою; овочів і фруктів людиною (кг/добу).

Чисельні значення коефіцієнтів самої моделі є узагальненими параметрами переносу для досліджуваного регіону й представлені для 18 радіонуклідів у Додатку до дисертації.

У модель (1), на відміну від моделі МКРЗ, додане споживання яєць (але збережена структура рівнянь для x1) і виключена камера, що представляє концентрацію радіонуклідів у повітрі, зумовлена процесами вторинного пилоутворення, відображена параметрами 12, 34.

Якісне дослідження моделі (1) на стійкість здійснювалось двома різними способами - за Ляпуновим і методом головних компонент.

Розв'язок системи (1) є стійким за Ляпуновим при , якщо для будь-яких й існує таке що:

1. Усі розв'язки системи (1) (включаючи розв'язки ), що задовольняють умові

(2)

визначені в проміжку ;

2. Для цих розв'язків справедлива нерівність

при (3)

Іншими словами, розв'язок стійкий, якщо досить близькі до нього в будь-який початковий момент розв'язки цілком поринають у як завгодно вузьку -трубку, побудовану навколо розв'язку .

Оскільки параметри системи (1) мають обмеження, ми можемо побудувати навколо розв'язків трубки, представлені на рис. 4, область яких визначається розв'язками й - розв'язки системи (1) з мінімальними й максимальними значеннями параметрів для 137Cs з початковими умовами [0.3 0.7 0.25 0.75 0 0 0 0 0].

За чисельними значеннями для 137Cs в 9 ланках агроекосистеми (1), яким відповідають змінні x1, x2, … x9 робиться нормування розв'язків по найгіршому еталоні й будується кореляційна матриця, що складається з коефіцієнтів попарної кореляції для всіх змінних. У свою чергу кореляційна матриця містить вихідні дані для аналізу методом головних компонент і факторного аналізу.

Для полегшення інтерпретації головних компонент необхідний більш тісний їхній зв'язок з певними групами змінних. Це досягається шляхом обертання осей головних компонент у просторі ознак до знаходження оптимального рішення за критерієм Varimax. У такому оптимальному рішенні знову отримані два головних фактори будуть мати той же накопичений внесок у пояснення дисперсії всіх ознак і більше виражені навантаження для певних груп ознак. Результати обертання наведені в табл. 1.

З табл. 1 видно, що кумулятивна дисперсія дорівнює 90%, тобто з досить великою точністю описує поводження всіх ланок агроекосистеми.

По факторній матриці, отриманій в результаті обертання, зручно інтерпретувати побудовані фактори. Перший фактор для 137Cs можна проінтерпретувати як фактор забруднення наземної рослинності й продуктів тваринництва, другий - як фактор підземного забруднення.

Коливання поступово загасають, що характеризує процес поступової адаптації екосистеми, що втратила стійкість.

Таблиця 1

Факторна матриця після обертання для 137Cs (10 років)

Змінні	Фактор 1	Фактор 2
x1	0,968030	0,005413
x2	-0,214686	0,965121
x3	0,958668	-0,019467
x4	0,048948	0,985625
x5	-0,434298	0,544473
x6	-0,387717	-0,909152
x7	0,955037	0,048994
x8	0,974470	0,027416
x9	0,987518	0,033109
Власні значення	5,0804321	3,030581
Накопичена дисперсія	0,564	0,336	Кумулятивна дисперсія (%):
			(0,564+0,336)•100 = 90

При автоматизації процедури розрахунку вмісту радіонуклідів у компартментах використовувалося середовище програмування MATLAB 7, розроблене компанією The MathWorks, Inc.

Роль функції z=nuclid(t,x) полягає в тім, що, вона завантажує параметри обраного радіонукліда й обчислює всі змінні коефіцієнти для моделі (1), залежно від обраного часу прогнозування. При її розробці враховувалося те, що моделювання аварії, здійснюється з моменту випадіння радіонуклідів на ґрунт і рослинність. Передбачається, що викид відбувається на початку, вегетаційного періоду, тривалість якого 120 діб. Параметри 21, 34, 43, 12, 52 дорівнюють нулю поза вегетаційним періодом, параметри 12, 34, є змінними в процесі вегетаційного періоду й щорічно змінюються.

В обчислювачі ode23 головний метод інтегрування - метод Рунге-Кутта 2-го порядку. На кожному кроці інтегрування здійснюється також методо Рунге-Кутта 3-го порядку заради одержання оцінки похибки головного методу.

У розділі 4 запропоновано алгоритм розрахунку просторово-розподілених коефіцієнтів кореляцій між модельними прогнозними величинами й характеристиками стану здоров'я населення на прикладі Житомирської області. Розроблено архітектуру програмного комплексу на основі існуючого програмного забезпечення автоматизації побудови й чисельного аналізу математичної моделі для прогнозу радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів за допомогою ізолінійного моделювання шляхом інтеграції програмних середовищ MATLAB 7 й Surfer 8.

Коефіцієнт кореляції визначається за допомогою, насамперед, графічного методу, коли значення й знак коефіцієнта просторової кореляції визначають за значенням кута, утвореного напрямками найбільших ухилів статистичних поверхонь двох явищ - частоти (у нашому випадку) передчасних пологів й екологічних факторів.

Для початку відкривається файл L4_point.shp, за допомогою інтерактивного переглядача карт Map Viewer, що створений у середовищі MATLAB 7. Після вибору одного з 18 радіонуклідів (89Sr, 90Sr, 95Zr, 95Nb, 103Ru, 106Ru, 131I, 133I, 132Te, 134Cs, 136Cs, 137Cs, 140Ba, 141Ce, 144Ce, 239Pu, 240Pu, 241Am) іде автоматизоване або ручне введення даних. Кожний населений пункт має свій код, згідно державного реєстру. Ці коди й координати населених пунктів зберігаються в базі аварійного моніторингу. При наявності деякої служби, яка б могла вносити через певний період тимчасові дані про забруднення в базу аварійного моніторингу, автоматизована система може зчитувати й створювати деякий вектор, довжина якого дорівнює кількості населених пунктів, наприклад, А[0.2, 0.3, …, 0...14], де є чітка прив'язка коду й забруднення. У цьому випадку забруднення 0.2 (Бк/м2) відповідає коду 1001, а 0.3 (Бк/м2) - коду 1002 і т.д. Якщо для деякого населеного пункту в базі відсутнє забруднення, тоді йому привласнюється середнє арифметичне значення забруднення попереднього й наступного населеного пункту. При ручному введенні даних використовується база даних, описана у розділі 2.

При наявності моніторингових значень x, робиться нормування початкових умов для вхідних даних для обчислювача ode23: x1 = x · 0,7/1,1; x2 = x · 0,7/0,3; x3 = x · 0,25/0,3; x4 = x · 0,75/0,3; x5 = … = x9 = 0.

Після введення часу прогнозування, прогнозованої камери, працює обчислювач ode23, описаний у розділі 3.

Оскільки базова модель (1) є точковою, вона прораховується стільки разів, скільки є населених пунктів у базі аварійного моніторингу. Результати моделювання записуються у файл isolines.dat, де є координати населеного пункту й прогнозоване значення. Потім цей файл передається в ГІС Surfer 8, де він обробляється програмою Scripter, написаною за допомогою вбудованої мови програмування в ГІС Surfer 8. За замовчуванням в Scripter прописаний ізолінійний метод Minimum Curvaturе.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ І ВИСНОВКИ

На основі математико-картографічного моделювання розроблено методику візуалізації сценаріїв розвитку радіоекологічних ситуацій для підтримки прийняття управлінських рішень. У рамках запропонованої методики на прикладі Житомирського регіону отримані наступні результати:

1. Відомі інформаційні системи моделювання радіоекологічних систем не відповідають визначеним вимогам, а саме - не дають можливості виявити цілісність картини взаємозв'язків радіаційних факторів, під впливом яких формуються негативні наслідки для навколишнього середовища і людини, і тому не вирішують проблеми комп'ютеризації математичного моделювання процесів переносу радіонуклідів в агроекосистемах для дослідження радіоекологічних ситуацій. Запропонована математична модель відповідає визначеним вимогам.

2. Проведено якісний аналіз запропонованої базової математичної моделі переносу радіонуклідів в агроекосистемах, який показав стійкість моделі в рамках точності численних значень параметрів.

3. На основі існуючого програмного забезпечення розроблено архітектуру програмного комплексу, що реалізує процедури побудови й чисельного аналізу математико-картографічної моделі для прогнозу радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів.

4. Розроблено комп'ютерну систему візуалізації на географічних картах визначених характеристик радіоекологічних ситуацій на територіально-розподілених об'єктах, яка адаптована до найбільш забруднених регіонів Житомирської області.

5. Запропоновано алгоритм розрахунку просторово-розподілених коефіцієнтів кореляцій між модельними прогнозними величинами показників забруднення радіонуклідами і характеристиками стану здоров'я жіночого населення сільської місцевості.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ за ТЕМою ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

За темою дисертації опубліковано 6 наукових праць, основні з них:

Сердюцкая Л.Ф., Каменева И.П., Кандзеба А.Ю., Яцишин А.В. Экологические риски на базе ГИС-технологий // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. Вип. 23. - Львів: Світ. 2003. - C. 105-114.

Яцишин А.В. Розробка системи візуалізації медико-екологічних баз даних. Радіаційний блок // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип. 25. - Львів: Світ, 2004. - C. 7-13.

Яцишин А.В., Матвиенко Д.Г., Соломенко Л.Л. Разработка концептуальной структуры базы данных по загрязнению продуктов питания 137Cs и 90Sr на примере Черкасской области // Збірник наукових праць ІПМЕ НАН України. - Вип.26. - Львів: Світ, 2004. - C. 3-9.

Яцишин А.В., Матвиенко Д.Г. Разработка структуры системы визуализации по существующим медико-экологическим данным на примере Житомирской и Черкасской областей // Моделювання та інформаційні технології / Зб. наук. праць. - Вип. 27. - К., 2004, С. 63-68.

Яцишин А.В. Розробка системи візуалізації медико-екологічних баз даних. Радіаційний блок // Збірник тез ХХІІІ науково-технічної конференції „Моделювання”. - К., 13-14 січня 2004. - С. 15.

Serdjutskaya L.F., Kameneva I.P., Kandzeba A.J., Jatsishin A.V. Environmental risks on the base of GIS-technologies // Материалы Международной конференции, Владивосток, Чанчунь (КНР), 12-19 июля 2004 г., - C. 205-210.

АНОТАЦІЯ

ЯЦИШИН А.В. Математичне моделювання радіоекологічного стану територіально-розподілених об'єктів на прикладі Житомирської області. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 01.05.02 - математичне моделювання й обчислювальні методи. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України, м. Київ, 2005.

Проведено якісний аналіз базової математичної моделі переносу радіонуклідів в агроекосистемах; автоматизовано процедуру розрахунку вмісту радіонуклідів у її окремих складових.

Розроблено архітектуру програмного комплексу на основі існуючого програмного забезпечення для автоматизації побудови й чисельного аналізу математичної моделі, для прогнозу радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів за допомогою математико-картографічного моделювання.

Розроблено комп'ютерну систему візуалізації на картах радіоекологічних ситуацій територіально-розподілених об'єктів, адаптовану до найбільш забруднених регіонів Житомирської області.

Запропоновано алгоритм розрахунку просторово-розподілених кореляційних зв'язків між прогнозними значеннями радіоекологічного забруднення і репродуктивним здоров'ям населення сільської місцевості.

Ключові слова: математико-картографічне моделювання, системи диференціальних рівнянь, камерні моделі, радіоекологічний стан, візуалізація даних.

АННОТАЦИЯ

ЯЦИШИН А.В. Математическое моделирование радиоэкологического состояния территориально распределенных объектов на примере Житомирской области. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - математическое моделирование и вычислительные методы. - Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова НАН Украины, г. Киев, 2005.

В условиях усиленного техногенного загрязнения территории Украины актуальными есть исследование и прогнозирование сложных экологических ситуаций методами и программными средствами математического моделирования, многомерного статистического анализа и современными методами компьютерной визуализации данных. Из-за отсутствия такого комплексного инструментария в существующих компьютерных программах возникает потребность в разработке специализированных систем визуализации экологических баз данных с использованием современных ГИС технологий, предназначенных для сбора, хранения и обработки информации и отображения на картах состояния исследуемых территориально-распределенных объектов, которые пострадали в результате аварии на ЧАЭС. Диссертационная работа посвящена разработке такой специализированной системы визуализации экологических баз данных.

Разработана структура базы данных относительно радиоэкологического загрязнения регионов Житомирской области (Лугинский, Олевский, Овручский и Народичский районы). База данных содержит 20 радиоэкологических показателей загрязнения по 180 сельских населенных пунктах за 1985-2004 гг. Автоматизированная система визуализации экологического загрязнения Житомирской области состоит из 5 подсистем и 3 блоков: подсистема отображения карты, подсистема построения диаграммы, подсистема формирования отчетов, подсистема ввода данных, подсистема ведения списка показателей, блок управления, блок решения запросов, блок интерактивной работы с пользователем.

Проведен качественный анализ базовой математической модели переноса радионуклидов в агроэкосистемах. Эта модель относится к типу камерных моделей и состоит из девяти обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными параметрами. С помощью среды программирования MATLAB 7 была автоматизирована процедура расчета содержания радионуклидов в ее отдельных составляющих.

Разработанные процедуры математико-картографического моделирования радиоэкологических ситуаций, которые позволяют визуализировать результаты алгоритма численного анализа процессов переноса радионуклидов на карте региона. На основе процедур математико-картографического моделирования радиоэкологических ситуаций разработан метод построения пространственно-распределенных корреляционных связей между прогнозными значениями радиоэкологического загрязнения и репродуктивным здоровьем женского населения сельской местности.

Разработана архитектура программного комплекса на основе существующего программного обеспечения автоматизации построения и многочисленного анализа математической модели для прогноза радиоэкологических ситуаций территориально-распределенных объектов с помощью изолинейного моделирования путем интеграции программных сред MATLAB 7 и Surfer 8.

Достоверность научных результатов, положений, выводов обеспечиваются корректным использованием методов компьютерного моделирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, метода главных компонент и методов интерполяции двумерных функций для разработки и построения метода пространственно-распределенных корреляционных связей и алгоритма численного анализа процессов переноса радионуклидов.

Ключевые слова: математико-картографическое моделирование, системы дифференциальных уравнений, камерные модели, радиоэкологический стан, визуализация данных.

abstract

Yatsyshyn A.V. Mathematical modelling of radio ecological state territorially-divided objects on example of Zytomyr region. - Manuscript

Thesis on the obtaining of scientific degree of a candidate of technical science according to the specialisation 01. 05. 02 - mathematical modelling and computing methods. - Institute of Simulation Problem in the Energetic named after Puhov G., National Academy of Sciences Ukraine. Kiev, 2005.

Conducted qualitative analysis of base mathematical model transferring radioactive nuclides in agroecosystems: automatised the computing of procedure content of radioactive nuclides in its separate elements.

Developed an architecture of program complex on a basis of existing software for automation building and numeral analysis of mathematical model in order to forecast radio-ecological situation territorially-divided objects with assistance of mathematically-cartographic engineering.

Developed the computer system of visualisation of radioecological situations on maps of territorially-divided objects, adopted to the most contaminated areas of Zytomyr region.

Suggested algorithm of computation especially-divided correlated connections between forecasting significance of radio-ecological contamination and reproductive health of rural population.

Key words: mathematical-cartographic engineering, systems of differential equation, chamber modelling, radio-ecological state, data visualisation.

Размещено на Allbest.ur

...