Оценка уровня экологической безопасности регионов на основе нечётких показателей

Проблемы использования искусственного интеллекта в исследованиях перспектив развития методов оценки состояний техносферной безопасности территорий, объектов, процессов, материалов в настоящее время являются чрезвычайно актуальными и значимыми в свете поступательно реализуемого курса нашей страны на достижение устойчивого социально-экономического, экологического и технологического развития [1-4].

В работе означенные актуальные проблемы рассмотрены в новом формате создания нечеткой шкалы показателей интегральной

оценки уровня экологической безопасности жизнеобеспечения городских округов, регионов на базе теории нечетких множеств, увязывающих в единой системе оценки количественные и качественные ресурсно-экологические показатели с учетом обратной реакции природной среды на антропогенное воздействие отходов.

Концепция, направления, методы исследования коррелируются с принятыми в мировом сообществе принципами: «Zеro waste» (ноль отходов), «RRR» (предотвращение образования отходов, повторное использование, переработка во вторичные ресурсы), «Green economy» («Зелёная» экономика»), «Сircular economy» (экономика замкнутого цикла) [5-9], опираются на достигнутые результаты исследований в области программ и проектов развития «зеленого» строительства, обеспечения экологической безопасности [10-14].

Методы исследования базируются на использовании системного анализа, теории не- четких множеств, реализующих возможности применения мягких вычислений при расчетах уровней экологической безопасности технос-ферных территорий, позволяя оценивать состояние защищенности природной среды и жизненно важных интересов человека от опасных воздействий отходов.

Результаты исследования и обсуждение. По замыслу авторов исследования, полученные показатели на основе применения теории нечетких множеств и мягких вычислений призваны обеспечить всестороннюю обоснованную многофакторную оценку состояния экологической безопасности в отношении воздействия завершивших свой срок эксплуатации строительных материалов и конструкций, использованной продукции в процессе жизнеобеспечения. Возможности применения мягких показателей охватывают стадии бизнес-планирования, оценки воздействия на окружающую среду, разработки технико-экономического обоснования, экологических проектов, территориальных схем обращения с отходами, программ развития в рамках комплексной системы оценки уровня экологической безопасности городов и регионов [15].

Основным отличием предлагаемой нечеткой шкалы показателей оценки уровня экологической безопасности от известных сложившихся подходов является целенаправленность на формирование индикаторов оценки предотвращен-ногоэкологического вреда(риска) за счеттранс-формации ресурсной составляющей отходов в безопасное вторсырье с учетом факторов опасности прямого воздействия, обратной реакции экосистем, периодов их самовосстановления после устранения источника опасности, объединение в составном критерии ресурсосберегающих и природоохранных показателей.

Критерий экологической безопасности системы, объектов жизнеобеспечения территорий Q ji определяется уровнем снижения степени экологической опасности в результате реализации технологических процессов трансформации опасных отходов в категорию вторичного сырья и выражается как сумма произведений показателей P ji ,, определяемым в физических единицах массы и весовых коэффициентов снижения экологической опасности к_й конкретного отхода после его преобразования во вторичное сырье: r w

Q ji = I I Pji kj,         (1)

j=1 i=1 r w

P ji = I I (C j / O i ),          (2)

j=1 i=1

где Pji - доля вторичного сырья, полученного из ресурсной составляющей i=1...r; Оi - количество образующихся опасных i=1...w видов; Сj - количество вторсырья j=1...r видов, полученного из отходов; kij - показатель изменения экоопасности отхода при регулирующем воздействии, определяемый как соотношение уровней экологической опасности антропогенных объектов множеств О и С до и после технологических преобразований: kj=k/kj. Величина Cj выражает уровень использования в производимой продукции и работах ресурсов i=1...w отходов в качестве вторсырья j=1^r видов на единицу образования отходов.

Показатель k j представлен в формуле (3) произведением трех критериев, определяющих конечную цель моделируемой системы экологически безопасного жизнеобеспечения:

• а)    минимизация опасности образующегося антропогенного объекта до малоопасного / практически неопасного уровня в источнике образования;

• б)    предотвращение попадания в природную среду, нанесения экологического вреда;

• в)    предупреждение нарушения, порчи экосистем при воздействии на них отходов в качестве источников опасности.

к у = ко у кв у ke j . (3)

Схема формирования предлагаемых весовых коэффициентов, характеризующих экологическую опасность отходов приведены в таблице 1.

Как следует из таблицы, основными критериями формирования коэффициентов служит восстанавливаемость экосистем, степень нарушения, уровень опасности, длительность нахождения в ней опасных отходов, напрямую влияющие на реанимационные процессы восстановления природных объектов. Оперативный прогноз состояния защищенности природной среды от воздействия антропогенных объектов предлагается осуществлять на основе применения методов математической логики с помощью оценки групп экологических состояний: безопасное,опасное, катастрофическое в соответствии с разработанными выше индикаторами. Подобный подход применялся Т.Г. Середа и С.Н. Костаревым при оценке безопасности аппаратов [16].

Для формирования комплексной оценки состояний экологической опасности территории составляются конъюнкции всех переменных показателей ( к е к о , к в ), при которых функция отклика Э равна 1, безопасных - нулю в рамках дизъюнкции рассматриваемых условий. Вышеуказанные факторы служат индикаторами для построения формы выражения логических функций экологической опасности (ЭО) и экологической катастрофы (ЭК), а также совершенной конъюнктивной нормальной формы, отражающей логическую функцию состояния экологической безопасности (ЭБ) территории, объекта в отношении воздействия отходов:

Таблица 1 – Схема предлагаемых весовых коэффициентов, характеризующих экологическую опасность ресурсных составляющих отходов Table 1 – Scheme of the proposed weight coefficients characterizing the environmental hazard of the resource components of waste

Показатель	Коэффициент экоопасности антропогенного объекта ko j	Коэффициент опасно сти прямого временного воздействия ke ij	Коэффициент опасности обратной реакции экосистем ke ij
Методическая основа	Класс опасности отходов производства и потребления	Сроки естественного разложения источника опасности в природной среде	Состояние, период восстановления экосистем после устранения воздействия источника опасности
Оцениваемый показатель	Уровень опасности для окружающей среды	Длительность временного воздействия	Длительность восстановления экологических систем
Качественная характеристика базового исходного показателя	Чрезвычайно, высоко, умеренно, малоопасные, практически неопасные	Распределение по группам: 1. Цветмет; стекло;синтетические полимеры. 2. Черные металлы; минеральные. З.Древесные; текстиль; макулатура	Необратимо нарушена, сильно нарушена, нарушена, незначительно нарушена, практически не нарушена
Соответствующее численное значение	1, 2, 3,4, 5 по убыванию опасности	Ранжирование по периодам: ]100; 1000]; ]10;100]; [1;10]	{30;10;3;1}. Максимальный период восстановления принят от 100 лет
Формализация показателя в виде весового коэффициента	Обратная величина числа класса опасности отхода: {1/1; 1/2; 1/3; 1/4; 1/5}	Соотношение шкалы границ периодов разложения при принятии максимальной за единицу {1;0,1;0,01}	Соотношение сроков восстановления экосистем при принятии за единицу наибольшего {1; 0,3; 0,1; 0,03; 0,01}
Математический смысл	Пороговое возрастание весового коэффициента, определяющего весомость предотвращения образования отходов более высокого класса экологической опасности	Пороговое возрастание весового коэффициента, характеризующего весомость предотвращения размещения отходов с более высокими сроками естественного разложения	Пороговое возрастание весового коэффициента, определяющего весомость предотвращения загрязнения природной среды теми отходами, негативное воздействие которых приводит к большим срокам восстановления экосистем
Экологический смысл	Оценка значимости снижения уровня экологической опасности более опасного антропогенного объекта	Оценка временного воздействия отходов на окружающую среду с учетом сроков естественного разложения	Оценка обратной связи экосистемы на нахождение источника экологической опасности в природной среде в виде ответной реакции.
Научнопрактическое значение	Придание приоритетности мерам предупреждения образования и снижению уровня экоопасности завершившей срок эксплуатации продукции в источнике появления	Придание значимости мерам предотвращения попадания в природную среду отходов с более высокими сроками разложения (пылеунос, смыв, захоронение)	Придание значимости предотвращению попадания в природную среду отходов, последствия воздействия которых обусловлены более значительными сроками восстановления экосистем после устранения источника

Э ( ЭБ, ЭО, ЭК ) = F ( kо , kв , kе ). (4)

Сделано допущение, что необходимым условием (показателем) состояния экологической катастрофы территории является необратимость последствий нарушения экологической системы, невозможность или длительный (от 100 лет) период её искусственного восстановления при размещении в природной среде чрезвычайно и высоко опасных отходов и/или со сроками разложения более 100 лет - в качестве достаточных условий: ЭК = 1, если Не = 1, Но v Не = 1.

Экологически безопасное состояние определено в случаях:

• а)    экосистема нарушена незначительно или практически не нарушена и имеет способность к самовосстановлению в периоде до трех лет при локальных кратковременных воздействиях;

• б)    уровень экоопасности антропогенных объектов, не обладающих состоянием опасных отходов – практически неопасный;

• в)    срок естественного разложения не утилизируемых, размещенных в виде биоре-культиванта обработанных вторичных ресурсов (ВР) составляет не более 3-х лет, в отдельных случаях, при применении в качестве технического рекультиванта – до 10 лет: ЭБ = 1, если Не = 0, Но = 0, Не = О.

Необходимым условием экоопасного состояния служит нарушение экосистемы, повлёкшее за собой невозможность самовосстановления и, соответственно, необходимость искусственного восстановления экосистемы после устранения воздействия источника опасности периодом от 10 лет и более, а достаточными условиями – раз- мещение в природной среде умеренно опасных, малоопасных отходов и/или со сроками естественного разложения от 10 до 100 лет. Данные условия определены логическим выражением:

Не = 0, Но V Не =1,

ЭО = 1, если —=

Не = 1, Но = 0, Не = 0.

С учётом изложенного, построена таблица оценки состояний (таблица 2).

Установление ресурсного показателя Р_ji основывается на принципе предотвращения образования опасных отходов в количественном выражении. Он определяется уровнем повторного использования ресурсной части использованной продукции, овеществлённой в процессе производства товаров, работ, энергии. Ресурсовосстановительный смысл показателя заключается в максимизации уровня применения ресурсного потенциала в виде вторсырья (в качестве альтернативы природным ресурсам) на единицу образования отхода.

Необходимость создания ресурсных критериев экологически безопасного функционирования динамичных производственных процессов обусловлена тем, что существующие методы оценки ресурсов применимы, в основном, к процессам заводского выпуска продукции. По мнению авторов, эти индикаторы по содержанию не могут обоснованно дать эколого-ресурсную нестационарных, динамичных объектов строительства, демонтажа, ремонта, содержания. Это обусловливает разработку новых методических подходов к формированию системы ресурсных показателей (см. таблица 3).

Таблица 2 – Нечёткая оценка состояний территории муниципальных образований Table 2 – Fuzzy assessment of the state of the territory of municipalities

Приведенный срок восстановления нарушенных экосистем, ке	Приведенная экоопасность источника воздействия, ко	Приведенный срок нахождения в природной среде, ке	Экологически безопасное состояние	Экологически опасное состояние	Состояние экологической катастрофы
0	0	0	1	0	0
0	0	1	0	1	0
0	1	0	0	1	0
0	1	1	0	1	0
1	0	0	0	1	0
1	0	1	0	0	1
1	1	0	0	0	1
1	1	1	0	0	1

Таблица 3 – Шкала нечётких индикаторов использования ресурсов Table 3 – Scale of fuzzy indicators of resource use

Нечеткий показатель. Обозначение, наименование, описание и целевое назначение показателя	Стадия и условия оценки	Выражение единицы измерения
Ресурсная пригодность Рс Количество (масса) извлеченных, раздельно собранных, изолированных от взаимодействия с компонентами природной среды и между собой ресурсных составляющих с сохраненными (пригодными) характеристиками и свойствами, позволяющими использование в виде возобновляемых ВМР и ВЭР	Раздельный сбор и накопление (при условии наличия технической возможности, допустимости, целесообразности повторного применения)	Уровень выделения ресурсной части, пригодной для обработки в качестве ВМР и ВЭР на единицу использованной продукции
Ресурсная восстановимость Рв Количество (масса) технологически преобразованных ВМР и ВЭР с нормативными, стандартизованными технико-эксплуатационными характеристиками сырья, обладающего потребительскими свойствами для производства с его применением продукции, работ, энергии	Обработка (при условии восстановления ВР до уровня свойств и характеристик востребованного на потребительском рынке товара)	Уровень восстановления ВР до предъявляемых требований к вторсырью на единицу исходных ВР
Ресурсная заменимость Рз Количество (масса) вторичного сырья, используемого в качестве замены (аналога) сырья из природного ресурса и в полном объеме или частично замещающего его в хозяйственном обороте на основании документов по стандартизации, технической документации.	Утилизация (при условии, что в результате замены природного сырья вторичным будет получена продукция аналогичного или лучшего качества)	Уровень замены (высвобождения) сырья из природных ресурсов на единицу замещаемого вторсырья

Модель составного критерия комплексной ресурсно-природоохранной оценки экологически безопасного жизнеобеспечения муниципальных образований в отношении воздействия отходов представлена на рисунке 1.

Каждый из критериев определяется набором характеристик, обусловленных совокупностью параметров или конкретным параметром. Исходное множество альтернатив описывается тремя показателями (Рс, Рв, Рз) и весовыми признаками (ке, ко, кв), имеющими упорядоченные пороговые шкалы дискретных оценок: Xе ={0,1,2,3,4}; Xо ={0,1,2,3,4}; Xв ={0,1,2}. Множество альтернатив группируются в четыре упорядоченных класса: ЭБ1, ЭБ2, ЭБ3, ЭБ4 - «Экобезопасность территории» с оценками уровней: 0 – критический, 1 – недопустимый, 2 - нормативный, 3 – комфортный, соответствующие градациям шкалы составного критерия верхнего уровня Z = {z0, z1, z2, z3}. Показатели нечеткой шкалы оценки соответствуют четырем составным критериям оценки. Совокупность впервые показателей образует нечеткую шкалу уровня экологической безопасности территорий городов, регионов в целом (рис. 2).

Для количественной интерпретации нечеткой оценки уровня экологической безопасности муниципального образования в части антропогенного воздействия отходов предлагается балльная оценка весомости нечетких показателей с последующим ранжированием пороговых уровней экологической безопасности по сумме присвоенных баллов в результате экспертной оценки, основанной на системном анализе природоохранной ситуации (рис. 3). Факторам, характеризующим «критический» качественный

Рисунок 1 – Шкала составных критериев оценки экоопасности отходов Figure 1 – Scale of composite criteria for assessing the environmental hazard of waste

КРИТИЧКСКИЙ

Нулевой цикл отходов как

Направление всего no

Исчерпание мощностей захоронения

Наличие зон чрезвычайной экологической ситуации экологического бедствия, вызван-

ронение с превышени ем лимитов размещения

Отсутствие сверхдопустимого воздействия отходов на природную среду и человека

объектов. обращение в качестве вторичного сырья

on асных отходов

Превышение ПДК загрязняющих веществ в почве, водных объектах. атмосферном воздухе, вызванное воздействием отходов, более чем 25-кратное

Превышение ПДК загрязняющих веществ в почве, водных объектах, атмосферном воздухе, вызванное воздействием отходов

Размещение разрешенных к захоронению от-

новленных лимитов на полигонах ТКО

загрязнение природной среды опасными отходами, непринятие

Несвоевременный вывоз отходов с мест накопления, захламление мест их сбора, накопления, хранения

Раздельный сбор отходов, изолированное накопление, соблюдение периодичности вывоза санитарных норм

горение, дымление полигонов и свалок

Отсутствие мер по раздельному сбору, обработке, утилизации, обезвреживанию

Соблюдение требований законодательства на всех

опасными отходами

Наличие объектов -источников выделения

Наличие нес анкционированных свалок отходов

Соблюдение установленных нормативов образования отходов, норм потерь сырья

Углеродная нейтральность отходообразующих процессов жизнеобеспечения

Идентификация, регулирование предотвращенных, обработанных выбросов и сбросов в качестве вторичных материальных и энергетических ресурсов

Достижение уровня "зелёных" стандартов в про-

Обеспечение показателей

_ _ ресурсосбережения процессов до уровня безотходного / малоотходного производства

Экономическая заинтересован ность всех сторон общества в раздельном сборе и использовании вторичного сырья

Рисунок 2 - Шкала уровней экологической безопасности городов и регионов на основе нечёткой оценки качественных показателей техносферного воздействия отходов Figure 2 - Scale of environmental safety levels of cities and regions based on a fuzzy assessment of qualitative indicators of technosphere impact of waste

Рисунок 3 – Графическая интерпретация функции принадлежности оценок показателей экологической безопасности нечёткой балльной шкалы

Figure 3 – Graphical interpretation of the membership function of assessments of environmental safety indicators of a fuzzy point scale

индикатор, присваивается численное значение «минус 0,2», «недопустимый – «минус 0,04», «нормативный» - «ноль», комфортный – «плюс 0,2» с учётом перехода с одного порогового уровня на другой в границах нечёткой шкалы оценок [-1;1] при введённых обозначениях: а – нижняя граница критического уровня (-1); b – недопустимого (-0,2); с - нормативного (0); d – комфортного (1).

Нормативный (допустимый) нулевой уровень, по замыслу авторов, означает базовую исходную точку состояния системы жизнеобеспечения для формирования природоподобных технологий среды жизнедеятельности, реализующих переход городских округов и регионов на ресурсосберегающий технологический уклад устойчивого экологически безопасного развития.

Предполагается, что суммарный баланс показателей, определяющий минимальный уровень экобезопасного состояния территории, объекта должен иметь положительное значение, удовлетворительный - превышать величину «0,2», средний – «0,5», высокий – «0,7», наивысший - единицу. В этом случае экологически безопасному качественному уровню будет соответствовать нахождение индикатора состояния территории в интервале нечетких оценок [0;1] по предлагаемой нечеткой шкале. Расширение состава критериев комфортного состояния территорий будет напрямую связано с социально-экономическим развитием регионов, инновационных методов, организационно-технических систем, безопасных технологий среды жизнедеятельности.

ВЫВОДЫ

В работе впервые сформирована нечёткая шкала ресурсно-экологических показателей, позволяющая использовать численный аппарат мягких вычислений и отображающая в формализованном виде текущее состояние, условия, потенциал перехода комплекса жизнеобеспечения и систем жизнедеятельности муниципальных образований регионов России на ресурсосберегающий технологический уклад устойчивого экологически безопасного развития:

• а)    показатель оценки состояния экологической безопасности процессов жизнеобеспечения, устанавливающий зависимость уровней использования ресурсного потенциала отходов, их ресурсной ценности и предотвращенного антропогенного воздействия, позволяющий проводить системный анализ состояния защиты природной среды от негативного воздействия объектов;

• б)    показатель оценки экологической безопасности территорий городов и регионов в отношении техносферного воздействия отходов

на базе вводимого понятия: нечеткой шкалы уровней, отражающей количественную интерпретацию их весомости с применением балльной оценки.

Научно-прикладная значимость разработанной нечеткой шкалы показателей экологической безопасности подтверждается широким диапазоном возможностей практической реализации: при создании экологических разделов предпро-ектной, проектной документации, обосновании требований безопасности на этапах инвестиционной деятельности; в качестве критериев экологической оценки территорий, безопасности и комфортности для жизнедеятельности городской среды при разработке территориальных схем обращения с отходами, концепций социально-экономического развития; анализе эффективности работы государственных органов путем введения нечеткого показателя, отражающего ситуацию в области ресурсосбережения и экологической безопасности как индикатора устойчивого развития регионов.