К АЛГОРИТМУ ОПТИМИЗАЦИИ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ

 

ON OPTIMIZATION ALGORITHM OF MULTICRITERIA EVALUATION OF FOREST ECOSYSTEMS IN URBAN AREAS

 

Беднова О.В. (МГУЛ, г. Москва, РФ),

Кузнецов В.А. (РХТУ им. Д.И.Менделеева, г. Москва, РФ)

 

Bednova O.V. (Moscow State Forest University),

Kuznetsov V.A. (Mendeleev University of Chemical Technology of Russia)

 

Продемонстрирована возможность оптимизации многокритериальной оценки состояния лесных экосистем на урбанизированных территориях. Для построения обобщённого критерия использован метод функций желательности Харрингтона.

Possibility for optimization of multicriteria evaluation of the forest ecosystems in the urban areas is demonstrated. Method of Harrington's desirability functions is applied to construct a generalized criterion.

 

Ключевые слова: урбанизированные территории, интегральные экологические индикаторы, функция желательности Харрингтона.

Keywords: urban areas, integral ecological indicators, Harrington’s desirability function.

 

Состояние городских лесных экосистем является информативным интегральным индикатором степени экологического благополучия урбанизированной территории. Его оценка требует многокритериального подхода, поскольку с одной стороны лесные экосистемы по природе своей отличаются сложной структурой, а с другой – в урбанизированных условиях испытывают многофакторное антропогенное воздействие

При многокритериальной оценке вызывает затруднение то положение, что экологические параметры, которые необходимо оптимизировать в единый качественный показатель, будучи разными по своей природе, имеют различную размерность. К тому же процедура количественного ранжирования частных критериев при этом сопряжена с субъективизмом, неопределенностью, так как способ интервального разбиения количественных и качественных шкал имеет, как правило, экспертный, не формализованный характер (пример тому – шкалы стадий рекреационной дигрессии).

Один из подходов к формализации субъективных неопределенностей в многокритериальных задачах предложен С. Харрингтоном и известен как метод построения обобщённой функции желательности (МФЖ) [1,2]. Он представляет собой математический инструментарий перевода реальных значений параметров в единую безразмерную числовую шкалу с фиксированными границами от 0 до 1 и последующего отображения частных количественных шкал в обобщённые шкалы критериев качества. Для преобразования частных откликов (рядов наблюдаемых значений параметров) в частные функции желательности используется экспоненциальная зависимость: d = exp(-exp{-y'}), где y'– кодированное значение признака. Она имеет несколько критических точек (ординаты точек перегиба, или базовые точки – в 0,2; 0,37; 0,63; 0,8), что позволяет задавать границы градаций желательности не произвольным, а строгим образом. Это даёт возможность не только оценить абсолютные величины показателей, но и выявить, насколько они близки к области ухудшения, руководствуясь строгими интервальными диапазонами: от 0 до 0,20 («очень плохо»); от 0,20 до 0,37 («плохо»); от 0,37 до 0,63 («удовлетворительно»); от 0, 63 до 0,80 («хорошо»); от 0,80 до 1,0 («хорошо»). Задача эксперта в этом случае – правильно поставить в соответствие значениям базовых точек (а для построения уравнения достаточно две точки [2]) адекватные значения наблюдаемых параметров. На основе значений частных функций желательности (di) проводится построение обобщённого отклика:

Этот подход был использован нами для оптимизации многокритериальной оценки состояния городских лесных экосистем. В качестве индикаторов биотической составляющей использованы значения индексов состояния древостоя Id (отражает продукционную способность древостоя) и структурного разнообразия  Hstr (отражает измененность структуры лесного биогеоценоза, являясь косвенным показателем сохранности лесного видового разнообразия) [3]. Ряды значений этих индексов получены в результате обработки данных пунктов постоянных наблюдений и временных пробных площадей сети лесоэкологического мониторинга в границах нескольких московских ООПТ. В качестве показателей абиотической составляющей для расчёта частных желательностей использованы значения уровней акустического загрязнения и значения среднесуточной концентрации диоксида азота – приоритетного для территории Москвы атмосферного загрязнителя. Обобщённая функция желательности, таким образом, в данной системе показателей определяется исходя из четырёх частных желательностей:  

Диапазон эмпирических значений индекса состояния древостоя, составил от 2,50 до 9,89. В качестве базовых для расчётов приняты значения индекса в 4,0 (состояние древостоя, где преобладают сильно ослабленные, усыхающие, сухостойные деревья) и 9,0 (древостой, в котором, по крайней мере, половина деревьев без признаков ослабления). Первому соответствует значение базовой точки 0,2 на шкале ФЖ (т.е. граничное значение «плохо» - «очень плохо»), второму – 0,8 (граница «хорошо»- «очень хорошо»). Значения индекса структурного разнообразия по результатам обработки данных полевых учётов находятся в диапазоне от 0,89 (площадь сбоя близка к 100%, отсутствие подроста и подлеска, древостой изрежен) до 2,00 (структура лесного биогеоценоза не нарушена). В качестве базовых приняты следующие значения индекса: 1,85, соответствующее частной желательности в 0,80 (т.е. граница «хорошо» – «очень хорошо», это наиболее низкое значение, отражающее структуру лесного биогеоценоза на уровне второй стадии рекреационной дигрессии по шкале Г.А.Поляковой) и 1,45 – соответствует значению базовой точки в 0,2 (т.е. граница «плохо» – «очень плохо», в нашей системе это отражает состояние участка леса, где при площади сбоя на уровне 90% встречаются единичные экземпляры лесных трав, подлеска и/или подроста).

Несколько иной подход к выбору базовых значений для расчёта частных желательностей для абиотических показателей. Так, на настоящее время нет специальных общероссийских нормативов по акустическому загрязнению применительно к природным территориям. В условиях Москвы в целях обеспечения акустически комфортных условий для обитания птиц и животных, а также для отдыха жителей, на ООПТ Постановлением Правительства Москвы от 16.10.2007г. № 896-ПП предложено установить в качестве допустимого значения эквивалентного уровня звука значение в 50 дБА. Эту величину целесообразно использовать в качестве базовой точки в 0,37, соответствующей на шкале Харрингтона нижнему пределу удовлетворительных значений. В качестве второго базового значения выбрана отметка в 71 дБА – наиболее низкое значение эквивалентного уровня звука, фиксируемое по границам лесных массивов с крупными автомагистралями в дневное время [4], ему  поставлено в соответствие базовая точка в 0,2, т.е. граница «плохо» – «очень плохо». Для получения картины по атмосферному загрязнению территории можно использовать данные по среднесуточным концентрациям поллютантов за вегетационный период. Как указано выше, мы использовали значения среднесуточных концентраций диоксида азота. Концентрации загрязнителя определялись методом пассивной дозиметрии [5]. Для выбора базовых точек можно использовать значения среднесуточных предельно-допустимых концентраций (ПДКс.с). Так, в соответствие отметке в 0,37 (нижний предел интервала «удовлетворительно») мы поставили значение ПДКс.с, утверждённое для атмосферного воздуха населённых мест (0,04 мг/м3), т.е санитарно-гигиенический норматив. Значение 0,63 (перегиб «удовлетворительно-хорошо») можно идентифицировать как соответствующий значению ПДКс.с для лиственных пород – 0,03 мг/м3 (Прим.: использованы ПДК загрязняющих веществ в атмосферном воздухе зон произрастания лесообразующих древесных пород, утв. Рослесхозом, Минприроды РФ 10 мая 1995 г. Других нормативов для лесообразующих пород в нашей стране с 1995 года официально так и не было утверждено).

В результате расчётов получены следующие зависимости частных функций желательности от натуральных значений экологических индикаторов:

1. Состояние древостоя

d1 = exp[–exp(2,06-0,40 y1)];

2. Сохранность структуры лесного биогеоценоза

d2 = exp[–exp(7,64 -4,94 y2)];

3. Уровни акустического загрязнения

d3 = exp[–exp(–1,15+0,02 y3)];

4. Загрязнение атмосферного воздуха

d4 = exp[–exp(–3,08 +76,74 y4)].

На основе этих зависимостей можно получить обобщённые оценки состояния природной среды. В качестве примера (см. таблицу) приводим результаты оценки состояния пространственно разграниченных и типологически различных участков небольшого лесного массива «Троекуровкий лес» (часть комплексного природного заказника «Долина реки Сетунь») и его экосистемы в целом. Этот островной лесной массив удалён от селитебной зоны и зажат между МКАД и автомагистралью по ул. Рябиновая, пролегающей через промзону «Очаково».

 

Таблица 1– Показатели состояния природной среды в границах лесного массива «Троекуровский лес» и результаты их оценки» *

 

 

Тип лесного биогеоценоза

Значения экологических индикаторов (в числителе) и частных функций желательности (в знаменателе)

Обобщён-ная оценка

 

D

Индекс состояния древостоя

Id /d1

Индекс структурного разнообразия

H str/d2

Звуковое давление,

дбА

q/d3

Ср.-суточная. концентр. NO2, мг/м3

с/d4

Березняк зеленчуково-снытевый

8,14/0,739

хор.

1,74/0,681 хор.

70/0,277

пл.

0,048/0,161

о. пл.

0,387

уд.

Липняк зеленчуково-снытевый с подростом ели

7,02/0,623

уд.

1.91/0,847

хор.

66/0,306

пл.

0,049/0,139

о. пл.

0,387

уд.

Сосняк яснотково-снытевый с липой (л/к)

7,54/0,681

хор.

1,74/0,681

хор.

76/0,235

пл.

0,041/0,344

пл.

0,440

уд.

Березняк зеленчуково-снытевый приручьевой

8,17/0,741

хор.

1,83/0,782

хор.

70/0,277

пл.

0,034/0,536

уд.

0,541

уд.

Березняк зеленчуково-снытевый с липой

8,71/0,784

хор.

1,88/0,825

хор.

82/0,196

о. пл.

0,050/0,119

о. пл

0,350

пл.

Липняк с серой ольхой зеленчуково-снытевый

6,89/0,607

уд.

1,96/0,878

хор.

66/0,306

пл.

0,048/0,161

о. пл

0,402

уд.

Лесной массив в целом

0,693

хор.

0,778 хор.

0,263

пл.

0,207

пл.

0,414

уд.

*Примечание*: хор.– принадлежность значения к интервалу «хорошо» (от 0,63 до 0,80), уд.– к интервалу «удовлетворительно» (от 0,37 до 0,63), пл. – «плохо» (от 0,20 до 0, 37), о.пл. – «очень плохо» (от 0 до 0,20).

 

В соответствии cо шкалой Харрингтона состояние отдельных фрагментов и экосистемы лесного массива в целом оценивается как удовлетворительное. Но при довольно высоких уровнях значений показателей биоразнообразия («хорошо» - «очень хорошо») очевиден повышенный уровень акустического дискомфорта и режима загрязнения атмосферного воздуха. Даже такой небольшой своего рода «спектральный анализ» ситуации позволяет расставить акценты в сфере управления этим участком ООПТ: приоритетным направлением должно быть поддержание природоохранных функций, меньше усилий (и, конечно же, материальных затрат) целесообразно направлять на развитие рекреационного потенциала. Разумно ограничиться использованием лесного массива в целях экологического просвещения с минимумом экологически обоснованного благоустройства и непродолжительным организованным пребыванием людей на территории.


 

Рисунок 1 - Сохранность структуры лесных биогеоценозов в границах лесного массива «Троекуровский лес»

Рисунок 2- Степень сохранности лесного биоразнообразия в границах лесного массива «Троекуровский лес»


Использование ряда индикаторов и построение обобщенного показателя состояния природной среды позволяет визуализировать результаты оценки с помощью ГИС, что облегчает задачу поиска эффективной формы подачи информации в адрес лиц, принимающих решения. Этот приём попробуем проиллюстрировать, например, на основе результатов оценки состояния биоразнообразия в «Троекуровском лесу». Как указывалось выше, в качестве интегрального показателя сохранности лесной биоценотической структуры мы использовали индекс структурного разнообразия [3]. На основе данных многолетних наблюдений в лесных экосистемах с различным уровнем антропогенной измененности с помощью МФЖ были получены универсальные интервальные диапазоны значений этого индекса: «очень хорошо» – от 1,85 и выше; «хорошо» – от 1.70 до 1,85; «удовлетворительно» – от 1,55 до 1,70; «плохо» – от 1,45 до 1,55; «очень плохо» –  до 1,45.

Пространственная картина состояния лесного биоразнообразия, построенная на основе натуральных значений индекса, представлена на рисунке 1. Будучи трансформированной с помощью шкалы желательности (рисунок 2), она обретает более определённое прикладное значение: явно, что практически вся часть территории сохраняет лесную биоценотическую структуру, чётко выделяется ядро – биоцентр с наиболее полночленными и мало изменёнными лесными фитоценозами и богатым набором ключевых местообитаний для лесных видов. Такого рода информация очень важна для рационального природоохранного зонирования территории. В целом же продемонстрированный подход к оптимизации многокритериальной оценки состояния городских лесных экосистем перспективен для использования в рамках информационно-аналитической системы, необходимой для принятия адекватных управляющих решений.

Cписок использованных источников

1. Дилигенский Н.В. Нечеткое моделирование и многокритериальная оптимизация производственных систем в условиях неопределенности: технология, экономика, экология / Н.В Дилигенский, Л.Г. Дымова, П.В. Севастьянов.– М.: Издательство Машиностроение − 1, 2004. – 397 с.

2. Ахназарова С.Л.. Использование функции желательности Харрингтона при решении оптимизационных задач химической технологии. Учебно-методическое пособие /С.Л Ахназарова, Л.С. Гордеев.– М.: РХТУ им. Д.С. Менделеева.– 2003.– 76 с.

3.Беднова О.В. Структурное разнообразие лесных биогеоценозов как параметр лесоэкологического мониторинга на городских особо охраняемых природных территориях / О.В.Беднова // Лесной вестник. – 2009.– №5 (68).– С. 182-191.

4. http://www.mosecom.ru

5 Кузнецов В.А. Разработка способов оценки влияния городов на состояние окружающей среды и технических решений по минимизации факторов химического воздействия / В.А. Кузнецов: диссертация ... доктора техн. наук. – М, 2009. – 394 с.