Марков М.Л., Смелов В.В., Черепанский М.М.
ГГИ, 2014mml@gmail.com, БГТУ, smw60@mail.ru, МГРИ, vodamch@mail.ru
Аннотация
Предлагается разработка «Программно–аппаратной платформы для принятия управленческих решений улучшения экологического состояния малых водных объектов в городах». Рассмотрены цели, организационные, нормативно-методические и технические задачи платформы. Программное обеспечение ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» включающая
10 программных модулей, позволяющее определить и рекомендовать высокоэффективные системы мероприятий по восстановлению и реабилитации водоемов, водотоков и благоустройству их водосборов в городах на основе мониторинга экологического и технического состояния водных объектов и гидротехнических сооружений, выявленных источников загрязнения, исходя из наличия источников финансирования.
Ключевые слова: водный объект, загрязнение и истощение, восстановление, распределенная программно-информационная платформа.
Водные объекты в городской среде испытывают многофакторное антропогенное воздействие: уменьшение площади водосбора за счет функционирования ливневой канализации, застройка береговой зоны, поступление загрязненных веществ с поверхностного и подземного водосбора, а также со сточными водами. Результатом такого воздействия являются ухудшение экологического состояния, вплоть до полной деградации экосистемы и исчезновения водных объектов.
Решению проблемы реабилитации водных объектов уделяется большое внимание как органами государственной власти на всех уровнях, так и различными профильными научными и образовательными организациями, а также гражданским и бизнес- сообществом. Вместе с тем, действующая нормативно-правовая база по рациональному использованию и охране водных объектов ориентирована, в основном, на средние и большие реки. Например, в методике РФ по разработке Схем комплексного использования и охраны водных объектов исключены малые реки с площадями водосборов менее 2000 км2. Большой проблемой является и отсутствие мониторинга малых водных объектов. Есть нерешенные проблемы с зоной ответственности за состояние водных объектов. Административные границы территорий и, следовательно, полномочия соответствующих органов законодательной
исполнительной власти не совпадают с границами водосборных бассейнов, вследствие чего влияние антропогенной деятельности на экологическое состояние водных объектов оказывается разобщенным. На практике это означает, что в комплексе за экологическое состояние водных объектов не отвечает никто. Для решения перечисленных проблемы, предлагается разработка «Программно– аппаратной платформа для принятия управленческих решений оживления водных объектов в городе». ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА».
Целью ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА», является разработка программно– аппаратной платформы, позволяющей определить и рекомендовать высокоэффективные системы мероприятий по восстановлению и реабилитации водоемов, водотоков и благоустройству их водосборов в городах на основе мониторинга экологического и технического состояния водных объектов и гидротехнических сооружений, выявленных источников загрязнения, исходя из наличия источников финансирования.
Задачами ПАППУР являются:
научное обоснование и разработка состава и последовательности реализации комплекса организационных, нормативно -методических и технических мероприятий по восстановлению, реабилитации рек и водоемов и благоустройству прилегающих территорий на основании выполнения работ.
Организационные:
- пополнение Государственного водного реестра информацией о малых водных объектах городов;
- разработка структуры и порядка функционирования автоматизированных центров сбора и обработки как оперативной, так и режимной гидрометеорологической и гидрогеологической информации;
- создание геоинформационной базы данных об основных факторах, формирующих гидрологический режим территории (метеорологические условия, гидрогеология, подстилающая поверхность водосборов, водоотведение и водозабор, источники загрязнения);
- создание системы оценки текущего состояния водного режима территорий, и его прогнозирования с учетом планируемого развития городской среды, основанных на современных возможностях веб- и ГИС технологий, с организацией доступа к ним заинтересованных специалистов и пользователей (Генплан, ЖКХ, СЭС, общественность и т.д.);
Нормативно-методические:
- разработка новых методологических подходов к мониторингу водных объектов, по оценке их экологического состояния, в том числе, на основе
инновационных методов с использованием данных дистанционного зондирования, мобильных лабораторий, данных краудсорсинга, изотопного состава вод; - проведение анализа передового отечественного и зарубежного опыта по повышению эффективности взаимодействия местных органов власти и общественности в вопросах использования и охраны водных объектов;
- разработка предложений по совершенствованию основных положений водного законодательства России и Беларусии по мониторингу, охране и рациональному использованию водного фонда на урбанизированных территориях (в том числе по повышению роли общественных организаций и местных огранов самоуправления);
Технические:
- проведение анализа передового отечественного и зарубежного опыта по способам восстановления водных экосистем в зависимости от типа водного объекта, его размеров, гидрогеологических характеристик и степени антропогенной нагрузки;
- разработка комплекса инженерных, инженерно-биологических, ландшафтно градостроительных по восстановлению, реабилитации рек и водоемов и благоустройству прилегающих территорий;
- разработка оценки экономической эффективности работ, проводимых по экологической реабилитации водных объектов.
Инновационная компонента проекта будет основана на разработке комплекса взаимоувязанных технологий, включающих:
- изотопные и гидрохимические методы изучения генезиса вещественного состава водных объектов и атмосферных осадков;
- технологическую систему мониторинга переменных параметров (гидрологических, гидрохимических, гидрогеологических, метеорологических) водных объектов и атмосферного воздуха с помощью логгеров и автоматических станций;
- технологии дистанционного наземного (с помощью БПЛА и радаров) и космического наблюдения за объектами и осадками;
- технологии консолидированной инфраструктуры получения, обработки и хранения данных, необходимых как для моделирования и прогнозирования гидрологических процессов и явлений, так и для оценки эффективности намечаемых природоохранных мероприятий и проектов использования водных ресурсов;
- технологии математического (численного) моделирования состояния водных объектов с учетом атмосферного питания и связи с подземными водами, а также их изменения под действием антропогенных и природных факторов.
Проекты такого рода являются комбинированными, с возможностью адаптации к различным условиям формирования и состоянию водных объектов, их изученности и материальному обеспечению. Поэтому целесообразно разрабатывать не одноразовую информационную систему, а платформу (способную к саморазвитию), которая предоставляет набор инструментов для специалистов разной профессии и квалификации. Предполагается, что платформа находится в состоянии постоянного сбора данных об водных ресурсах. Накопленная статистика позволит создать математические модели, адекватно описывающие суть явлений, что даст возможность
предсказывать и планировать.
Для информационной поддержки Программы целесообразно создать распределенную программно-информационную платформу (РПИП) обеспечивающую:
- учет водотоков и водоемов в городах (геоинформационная платформа); - учет использования водных ресурсов в городах;
- учет гидротехнических сооружений и их технического состояния;
- сбор данных о состоянии водостоков и водоемов в городах;
- учет гидрометеорологических событий;
- хранение и актуализацию нормативной информации.
В основе РПИП лежит распределенная база данных, узлы которой находятся и постоянно дополняются информацией в разных городах страны (технология BIGDATE). Доступ к ресурсам РПИП будет осуществляется с помощью набора программных сервисов, обеспечивающих вычислительное SaaS-облако.
Для разработчиков прикладных программных систем РПИП представляет вычислительное PaaS-облако, позволяющее эффективно разрабатывать приложения, решающих задачи: - мониторинга состояния водных ресурсов в городах;
- анализа текущего экологического состояния водных ресурсов в городах; - прогнозирования состояния водных ресурсов в городах;
- моделирования гидрологических событий и оценки их последствий;
- ситуационного управления.
Для решения задач анализа данных в состав PaaS-облака включаются OLAP, DataMining и Report - компоненты, предоставляющие широкий спектр методов анализа данных и представления его результатов.
Программное обеспечение «Программно–аппаратной платформы для принятия управленческих решений оживления водных объектов в городе». (ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА») включает 10 программных модулей:
РГВ - Реестр городских водных объектов.
РТО - Реестр техногенных объектов, влияющих на экологическое состояние городских водных объектов.
СНД - Справочные и нормативные данные.
СМД - Сбор и мониторинг данных о состоянии городских водных объектов. ОЭС - Оценка экологического состояния городских водных объектов.
ПРС - Прогнозирования экологического состояния городских водных объектов. ОПР - Оценка прогнозирования экологического состояния.
УМР - Учет мероприятий по восстановлению и реабилитации городских водных объектов. ПЛС - Планирования экологического состояния городских водных объектов. ОЭМ - Оценка эффективности мероприятий по восстановлению и реабилитации городских водных объектов.
Центральным звеном системы является база данных (БД), хранящая постоянно поступающие данные о текущем состоянии городских водных объектах, данные реестров, нормативно-справочную информацию, а также результаты работы модулей, входящих в рабочие циклы. Основная работа экспертной системы осуществляется в рамках двух циклов: СДМ-ОЭС-ПРС-ОПР (внешний цикл) и УМР-ПЛС ОЭМ (внутренний).
Внешний цикл предназначен для непрерывного мониторинга экологического состояния водных объектов. С помощью модуля СМД осуществляется сбор данных о текущем состоянии водных объектов. Модуль ОЭС извлекает собранные данные из БД и осуществляет комплексную оценку текущего состояния. На основе данных сформированных модулями СМД и ОЭС модуль ПРС выполняет краткосрочный прогноз состояния водного объекта. Завершается цикл оценкой качества прогноза (модуль ОПР). Результаты прогнозирования и оценки записываются в БД и могут быть просмотрены пользователем ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА».Внутренний рабочий цикл экспертной системы предназначен для учета (ввода и корректировки) в БД информации о примененных мероприятиях по восстановлению и реабилитации водных объектов (модуль УМР), планирования ожидаемого экологического состояния (модуль ПЛС), а также оценки эффективности примененных мероприятий (модуль ОЭМ).
Программное обеспечение ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» имеет клиент-серверную архитектуру и обеспечивает многопользовательский режим с ролевым разделением полномочий пользователей. Доступ к ресурсам сервиса организован с помощью web интерфейса.
Создание ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» позволит решать задачи:
- мониторинга состояния водных ресурсов в городах;
- анализа текущего экологического состояния водных ресурсов в городах; - прогнозирования состояния водных ресурсов в городах;
- планирования использования водных ресурсов в городах;
- моделирования гидрологических событий и оценки их последствий;
- решать задачи ситуационного управления;
- учет водостоков и водоемов в городах (геоинформационная платформа); - постоянный сбор данных о состоянии водостоков и водоемов в городах; - хранение и актуализацию нормативной информаци
ГГИ, 2014mml@gmail.com, БГТУ, smw60@mail.ru, МГРИ, vodamch@mail.ru
Аннотация
Предлагается разработка «Программно–аппаратной платформы для принятия управленческих решений улучшения экологического состояния малых водных объектов в городах». Рассмотрены цели, организационные, нормативно-методические и технические задачи платформы. Программное обеспечение ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» включающая
10 программных модулей, позволяющее определить и рекомендовать высокоэффективные системы мероприятий по восстановлению и реабилитации водоемов, водотоков и благоустройству их водосборов в городах на основе мониторинга экологического и технического состояния водных объектов и гидротехнических сооружений, выявленных источников загрязнения, исходя из наличия источников финансирования.
Ключевые слова: водный объект, загрязнение и истощение, восстановление, распределенная программно-информационная платформа.
Водные объекты в городской среде испытывают многофакторное антропогенное воздействие: уменьшение площади водосбора за счет функционирования ливневой канализации, застройка береговой зоны, поступление загрязненных веществ с поверхностного и подземного водосбора, а также со сточными водами. Результатом такого воздействия являются ухудшение экологического состояния, вплоть до полной деградации экосистемы и исчезновения водных объектов.
Решению проблемы реабилитации водных объектов уделяется большое внимание как органами государственной власти на всех уровнях, так и различными профильными научными и образовательными организациями, а также гражданским и бизнес- сообществом. Вместе с тем, действующая нормативно-правовая база по рациональному использованию и охране водных объектов ориентирована, в основном, на средние и большие реки. Например, в методике РФ по разработке Схем комплексного использования и охраны водных объектов исключены малые реки с площадями водосборов менее 2000 км2. Большой проблемой является и отсутствие мониторинга малых водных объектов. Есть нерешенные проблемы с зоной ответственности за состояние водных объектов. Административные границы территорий и, следовательно, полномочия соответствующих органов законодательной
исполнительной власти не совпадают с границами водосборных бассейнов, вследствие чего влияние антропогенной деятельности на экологическое состояние водных объектов оказывается разобщенным. На практике это означает, что в комплексе за экологическое состояние водных объектов не отвечает никто. Для решения перечисленных проблемы, предлагается разработка «Программно– аппаратной платформа для принятия управленческих решений оживления водных объектов в городе». ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА».
Целью ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА», является разработка программно– аппаратной платформы, позволяющей определить и рекомендовать высокоэффективные системы мероприятий по восстановлению и реабилитации водоемов, водотоков и благоустройству их водосборов в городах на основе мониторинга экологического и технического состояния водных объектов и гидротехнических сооружений, выявленных источников загрязнения, исходя из наличия источников финансирования.
Задачами ПАППУР являются:
научное обоснование и разработка состава и последовательности реализации комплекса организационных, нормативно -методических и технических мероприятий по восстановлению, реабилитации рек и водоемов и благоустройству прилегающих территорий на основании выполнения работ.
Организационные:
- пополнение Государственного водного реестра информацией о малых водных объектах городов;
- разработка структуры и порядка функционирования автоматизированных центров сбора и обработки как оперативной, так и режимной гидрометеорологической и гидрогеологической информации;
- создание геоинформационной базы данных об основных факторах, формирующих гидрологический режим территории (метеорологические условия, гидрогеология, подстилающая поверхность водосборов, водоотведение и водозабор, источники загрязнения);
- создание системы оценки текущего состояния водного режима территорий, и его прогнозирования с учетом планируемого развития городской среды, основанных на современных возможностях веб- и ГИС технологий, с организацией доступа к ним заинтересованных специалистов и пользователей (Генплан, ЖКХ, СЭС, общественность и т.д.);
Нормативно-методические:
- разработка новых методологических подходов к мониторингу водных объектов, по оценке их экологического состояния, в том числе, на основе
инновационных методов с использованием данных дистанционного зондирования, мобильных лабораторий, данных краудсорсинга, изотопного состава вод; - проведение анализа передового отечественного и зарубежного опыта по повышению эффективности взаимодействия местных органов власти и общественности в вопросах использования и охраны водных объектов;
- разработка предложений по совершенствованию основных положений водного законодательства России и Беларусии по мониторингу, охране и рациональному использованию водного фонда на урбанизированных территориях (в том числе по повышению роли общественных организаций и местных огранов самоуправления);
Технические:
- проведение анализа передового отечественного и зарубежного опыта по способам восстановления водных экосистем в зависимости от типа водного объекта, его размеров, гидрогеологических характеристик и степени антропогенной нагрузки;
- разработка комплекса инженерных, инженерно-биологических, ландшафтно градостроительных по восстановлению, реабилитации рек и водоемов и благоустройству прилегающих территорий;
- разработка оценки экономической эффективности работ, проводимых по экологической реабилитации водных объектов.
Инновационная компонента проекта будет основана на разработке комплекса взаимоувязанных технологий, включающих:
- изотопные и гидрохимические методы изучения генезиса вещественного состава водных объектов и атмосферных осадков;
- технологическую систему мониторинга переменных параметров (гидрологических, гидрохимических, гидрогеологических, метеорологических) водных объектов и атмосферного воздуха с помощью логгеров и автоматических станций;
- технологии дистанционного наземного (с помощью БПЛА и радаров) и космического наблюдения за объектами и осадками;
- технологии консолидированной инфраструктуры получения, обработки и хранения данных, необходимых как для моделирования и прогнозирования гидрологических процессов и явлений, так и для оценки эффективности намечаемых природоохранных мероприятий и проектов использования водных ресурсов;
- технологии математического (численного) моделирования состояния водных объектов с учетом атмосферного питания и связи с подземными водами, а также их изменения под действием антропогенных и природных факторов.
Проекты такого рода являются комбинированными, с возможностью адаптации к различным условиям формирования и состоянию водных объектов, их изученности и материальному обеспечению. Поэтому целесообразно разрабатывать не одноразовую информационную систему, а платформу (способную к саморазвитию), которая предоставляет набор инструментов для специалистов разной профессии и квалификации. Предполагается, что платформа находится в состоянии постоянного сбора данных об водных ресурсах. Накопленная статистика позволит создать математические модели, адекватно описывающие суть явлений, что даст возможность
предсказывать и планировать.
Для информационной поддержки Программы целесообразно создать распределенную программно-информационную платформу (РПИП) обеспечивающую:
- учет водотоков и водоемов в городах (геоинформационная платформа); - учет использования водных ресурсов в городах;
- учет гидротехнических сооружений и их технического состояния;
- сбор данных о состоянии водостоков и водоемов в городах;
- учет гидрометеорологических событий;
- хранение и актуализацию нормативной информации.
В основе РПИП лежит распределенная база данных, узлы которой находятся и постоянно дополняются информацией в разных городах страны (технология BIGDATE). Доступ к ресурсам РПИП будет осуществляется с помощью набора программных сервисов, обеспечивающих вычислительное SaaS-облако.
Для разработчиков прикладных программных систем РПИП представляет вычислительное PaaS-облако, позволяющее эффективно разрабатывать приложения, решающих задачи: - мониторинга состояния водных ресурсов в городах;
- анализа текущего экологического состояния водных ресурсов в городах; - прогнозирования состояния водных ресурсов в городах;
- моделирования гидрологических событий и оценки их последствий;
- ситуационного управления.
Для решения задач анализа данных в состав PaaS-облака включаются OLAP, DataMining и Report - компоненты, предоставляющие широкий спектр методов анализа данных и представления его результатов.
Программное обеспечение «Программно–аппаратной платформы для принятия управленческих решений оживления водных объектов в городе». (ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА») включает 10 программных модулей:
РГВ - Реестр городских водных объектов.
РТО - Реестр техногенных объектов, влияющих на экологическое состояние городских водных объектов.
СНД - Справочные и нормативные данные.
СМД - Сбор и мониторинг данных о состоянии городских водных объектов. ОЭС - Оценка экологического состояния городских водных объектов.
ПРС - Прогнозирования экологического состояния городских водных объектов. ОПР - Оценка прогнозирования экологического состояния.
УМР - Учет мероприятий по восстановлению и реабилитации городских водных объектов. ПЛС - Планирования экологического состояния городских водных объектов. ОЭМ - Оценка эффективности мероприятий по восстановлению и реабилитации городских водных объектов.
Центральным звеном системы является база данных (БД), хранящая постоянно поступающие данные о текущем состоянии городских водных объектах, данные реестров, нормативно-справочную информацию, а также результаты работы модулей, входящих в рабочие циклы. Основная работа экспертной системы осуществляется в рамках двух циклов: СДМ-ОЭС-ПРС-ОПР (внешний цикл) и УМР-ПЛС ОЭМ (внутренний).
Внешний цикл предназначен для непрерывного мониторинга экологического состояния водных объектов. С помощью модуля СМД осуществляется сбор данных о текущем состоянии водных объектов. Модуль ОЭС извлекает собранные данные из БД и осуществляет комплексную оценку текущего состояния. На основе данных сформированных модулями СМД и ОЭС модуль ПРС выполняет краткосрочный прогноз состояния водного объекта. Завершается цикл оценкой качества прогноза (модуль ОПР). Результаты прогнозирования и оценки записываются в БД и могут быть просмотрены пользователем ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА».Внутренний рабочий цикл экспертной системы предназначен для учета (ввода и корректировки) в БД информации о примененных мероприятиях по восстановлению и реабилитации водных объектов (модуль УМР), планирования ожидаемого экологического состояния (модуль ПЛС), а также оценки эффективности примененных мероприятий (модуль ОЭМ).
Программное обеспечение ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» имеет клиент-серверную архитектуру и обеспечивает многопользовательский режим с ролевым разделением полномочий пользователей. Доступ к ресурсам сервиса организован с помощью web интерфейса.
Создание ПАППУР «ЖИВАЯ ВОДА» позволит решать задачи:
- мониторинга состояния водных ресурсов в городах;
- анализа текущего экологического состояния водных ресурсов в городах; - прогнозирования состояния водных ресурсов в городах;
- планирования использования водных ресурсов в городах;
- моделирования гидрологических событий и оценки их последствий;
- решать задачи ситуационного управления;
- учет водостоков и водоемов в городах (геоинформационная платформа); - постоянный сбор данных о состоянии водостоков и водоемов в городах; - хранение и актуализацию нормативной информаци
Проект "Климат и экология" реализуется при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации