Актуальность темы. Современный этап развития Украины выдвигает новые требования к эффективности принятия оперативных и стратегических решений на всех уровнях управления – от государственного до муниципального, выполнение которых невозможно без использования компьютерных технологий. Учитывая масштабы и значимость проблемы загрязнения окружающей природной среды, существует необходимость выполнения ряда природоохранных мероприятий, направленных на принятие решений в области экологической безопасности. Актуальной задачей при этом становится разработка программных систем поддержки принятия решений.
       При обработке и сопоставлении экологических показателей регионов традиционно используют общепризнанные статистические методы и строят карты распределения загрязнения окружающей природной среды по территориям. Такой подход часто не соответствует современным требованиям к эффективности принятия управленческих решений. Сегодня в мировой практике для ряда задач, связанных с решением вопросов безопасности в разных сферах жизнедеятельности человека и охраны окружающей среды, при принятии решений активно внедряется методология оценки рисков.
       Вместе с тем, обработка и анализ больших массивов экологической информации для оценки опасностей, связанных с загрязнением природной среды, требуют создания эффективной программной системы. Это, в свою очередь, обуславливает актуальность разработки математических моделей и алгоритмов оценки рисков для выбора оптимальных вариантов принятия управленческих решений при регулировании качества природной среды.
       Таким образом, возникает насущная необходимость разработки программной системы поддержки принятия решений по управлению развитием и экологическим состоянием территории регионов. Сегодня в Украине отсутствуют программные системы для поддержки принятия решений, ориентированные на применения методологии оценки рисков загрязнения окружающей среды. Таким образом, тема магистерской работы, связанная с разработкой программной системы поддержки принятия решений с использованием методологии оценки рисков загрязнения природной среды, является актуальной.

       Связь работы с научными программами, планами, темами. Важность проблемы подтверждена Законами Украины “Про екологічну експертизу” (статья 5), «Про екологічний аудит» (статья 25), Постановлением Верховного Совета Украины “Про основні напрями державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки” (№ 188/98-ВР от 05.03.98).
       Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ Донецкого национального технического университета – госбюджетной НИР Д-25-03 “Разработка основ комплексной оценки воздействий на окружающую среду в системе экологического мониторинга промышленно развитых регионов” (№ держ. регистрации 0103U001732) и хозрасчетной НИР № 06-271 “Разработка и издание Доклада о состоянии окружающей природной среды г. Донецк в 2004 – 2005 гг.”, а также при разработке Программ оздоровления атмосферного воздуха городов Макеевка и Краматорск на 2007 – 2015 годы.

       Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
     - в создании имитационных моделей оценки рисков при загрязнении окружающей природной среды, отличающихся вероятностным представлением зависимостей “доза-эффект” относительно разных видов воздействий на человека и другие живые объекты, позволяющих учитывать неопределенность рисков для групп популяции разной чувствительности (наиболее чувствительные, средне чувствительные и менее чувствительные);
     - в разработке методики оценки экологических рисков при загрязнении окружающей природной среды, которую можно использовать как алгоритмическое обеспечение для оценки эффективности принятия управленческих решений по показателям риска;
     - в предложении критерия выбора приоритетных направлений принятия управленческих решений относительно снижения риска, основанного на сравнении оценочных характеристик фактического риска с приемлемыми уровнями риска.

       Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: применением современных методов оценки рисков при загрязнении окружающей природной среды, применением апробированных методов статистической обработки данных и математического моделирования сложных систем; использованием общепризнанных методов идентификации опасностей, оценки зависимостей “доза-эффект” и характеристики риска; адекватностью разработанных имитационных моделей; апробацией полученных результатов работы.

       Научное значение работы состоит в разработке алгоритмического обеспечения оценки экологических рисков при загрязнении окружающей природной среды, позволяющего оценивать фактический уровень риска.

       Практическое значение полученных результатов связано с усовершенствованием программных систем поддержки принятия решений по снижению рисков при загрязнении окружающей природной среды.

       Апробация результатов магистерской диссертации. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференции по информационным технологиям “Екософт-2005” (г. Киев, 2006 6.), на IV и V Международных научных конференциях аспирантов и студентов “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (г. Донецьк, 2005 и 2006 гг.), на научно-практической конференции “Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України” (г. Киев, 2005 г.), на Международной научной конференции “Моделювання-2006” (г. Киев, 2006 г.), на ІІ и ІІI Всеукраинских научно-практических конференциях “Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України” (г. Запорожье, 2006 и 2007 гг.) и III Международной научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Информатика и компьютерные технологии» (г. Донецк, 2007).

       Публикации. По теме магистерской работы опубликовано: 17 печатных работ (из них 10 в профессиональных научных изданиях, включенных в Перечень ВАК Украины, и 7 в научных изданиях и в сборниках тезисов докладов на научных и научно-практических конференциях).

       Основное содержание работы
       Анализ особенностей и закономерностей формирования и оценки рисков возникновения опасных событий при загрязнении окружающей природной среды
       Теория анализа риска создана известными учеными: В. Маршалом, Э. Хенли, Х. Кумамото. Ими предложена методология оценки опасности и риска, которая широко применяется в мировой практике. Вопросы оценки техногенных и экологических рисков нашли также широкое отображение в роботах С.Л. Авалиани, П.Г. Белова, Г.M. Грея, А.Б. Качинского, А.В. Киселёва, Д. Маккея, С.М. Мягкова, Ман-Сунга Им., С.М. Новикова, С.З. Полищука, Н.Ф. Реймерса, Н.П. Тихомирова, Ж.С. Эванса и др. Однако многими авторами отмечается, что, несмотря на большое количество научных работ в этом направлении, вопросы, связанные с изучением особенностей и закономерностей опасных процессов в окружающей природной среде и с разработкой моделей опасностей и риска, малоизученны.
       Основой методологии оценки риска является идентификация и определение уровня опасности. Для каждого большого города Украины определен перечень приоритетных (наиболее распространенных и опасных) загрязняющих веществ, подлежащих контролю при экологическом мониторинге. Так, например, количественная оценка опасности и риска при загрязнении атмосферного воздуха выполнена в работе для перечня веществ, выбросы которых в атмосферный воздух подлежат контролю и регулированию в промышленных городах: аммиак, диоксид азота, оксид азота (II), диоксид серы, оксид углерода, фенол, формальдегид, пыль, сероводород, бенз()пирен, кадмий, железо, марганец, медь, никель, свинец, хром и цинк.
       Большинство определений риска для разных объектов живой природы (человек, животные, растения, рыбы, водные организмы и биосфера в целом) при воздействии вредных веществ, загрязняющих окружающую природную среду, сводятся к тому, что риск – это вероятность реализации потенциальной опасности, вызванной влиянием внешних факторов и деятельностью человека, который способствует возникновению негативных последствий. В количественном плане риск определяется условной вероятностью нанесения вреда человеку (биосистеме) и вероятностью наступления неблагоприятных событий и рассчитывается по формуле:

(1)

      где W_i(I_i) – условная вероятность нанесения вреда человеку (биосистеме) в случае реализации опасности величиной I_i ; P_i(I_i) – вероятность реализации опасности I_i при наступлении неблагоприятных событий; m – число возможных опасностей одного класса.
       Сегодня в общей методологии оценки риска при анализе опасности загрязнения окружающей среды существует ряд общепризнанных положений (гипотез).
       1. Главное положение заключается в том, что риск (R) связан с опасностью (I), которая может быть измерена или количественно определена, то есть риск можно представить как вероятностное распределение, зависящее от опасности:

(2)

       2. Многие опасности при загрязнении природной среды поддаются количественному измерению и обладают свойством аддитивности (возможно с определенным весом ). Из этого следует, что:

(3)

      где I_i – количественный показатель i -той опасности.
      В вопросе о том, какую величину следует принимать за количественный показатель опасности I_i при загрязнении окружающей среды,пока что не существует полного согласия среди специалистов. При суммировании опасностей одного класса для их оценки в теории анализа риска применяют разные показатели – коэффициенты опасности (НQ), логарифмы концентраций вредных веществ и коэффициентов опасности, пробит-функции, зависящие от концентрации C и времени T вида или только от коэффициента опасности вида разные количественные показатели, определенные экспериментально, и т.п.
      3. При ранжировании опасностей применяется пороговый принцип с использованием тех или иных порогов воздействий. Для количественной оценки риска опасных эффектов используется формула расчета коэффициента опасности:

(4)

      где P_i – порог (уровень) безопасного воздействия для i -той опасности одного класса, заданный в одних и тех же единицах, что и количественный показатель опасности I_i.
      В мировой практике при действии химических опасностей в качестве порогов используется большое число уровней безопасного воздействия – это референтные дозы и концентрации (RfD и RfC), предельно допустимые концентрации (ПДК), уровни минимального риска (MRL) и т.п.
      4. Пороговый принцип и положения об аддитивности опасностей позволяют при измерении кумулятивных опасностей пользоваться разными аддитивными индексами. Обычно индекс опасности ( HQ ) рассчитывается по формуле:

(5)

      5. В теории анализа рисков принято, что риски при малых значениях (R<<1) складываются, то есть:

(6)

      При больших значениях рисков cуммарные (кумулятивные) риски определяются соответственно правилу сложения и умножения вероятностей совместного появления независимых событий:

(7)

      В теории анализа риска также считается, что функции рисков R(I_i) качественно одинаковы (описываются одинаковыми функциональными зависимостями) для опасностей одного класса.
      6. Экспериментальная обработка большого объема статистических данных при воздействиях разных вредных химических веществ позволила принять гипотезу о представлении функции (2) в виде S-образного распределения, которое моделируется логарифмически-нормальным или экспоненциальным распределением, распределением Вейбулла или гамма-распределением и т.п.
      Например, в существующей методологии оценки риска здоровью и жизни людей при воздействии химических веществ сегодня широко используют логарифмически-нормальное распределение вида:

(8)

      Верхняя граница интегрирования является так называемой пробит-функцией (Prob_i), отображающею связь между вероятностью поражения и поглощенной (воздействующей) дозой (концентрацией). Для ее вычисления используется логарифмическая зависимость вида:

(9)

      где и – параметры, зависящие от токсикологических свойств вещества и видов воздействия, C_i – концентрация вредного вещества.
      Полученные на первом этапе работы результаты позволили обобщить основные экспериментальные и системные закономерности формирования и оценки рисков возникновения опасных событий при загрязнении окружающей природной среды. Эти закономерности в дальнейшем были положены в основу теоретической части работы.
      Разработка методического обеспечения оценки рисков как алгоритмической основы для выбора оптимальных вариантов принятия решений.
      В соответствии с приведенными выше закономерностями формирования и оценки рисков возникновения опасных событий разработана методика оценки экологических рисков при загрязнении окружающей природной среды. Разработанная методика положена в основу создания алгоритмов оценки рисков и программной системы поддержки принятия решений.      

Методика содержит следующие разделы.
1. Общие положения.
2. Методология анализа риска.
3. Порядок осуществления оценки экологических рисков.
4. Состав и содержание работ по оценке экологических рисков.
5. Определение приемлемого риска.
6. Принятие решений по уменьшению рисков и информирование о риске.
   Приложения.

      В методике кратко представлена схема анализа риска, раскрыты процедуры, связанные с оценкой рисков, управлением и информированием о рисках. Приведены порядок осуществления анализа опасностей и рисков, этапы, цели и задачи работ по оценке экологических рисков. Также в методике прописаны общие принципы анализа опасностей и описаны этапы выполнения работ. Приведен состав и содержание работ по оценке экологических рисков, раскрыт порядок осуществления идентификации экологических опасностей, охарактеризованы методы сбора и анализа исходных данных, предоставлена методика выбора показателей опасности вредных факторов, принципы выбора приоритетных загрязнителей окружающей среды, а также предложены методы исследования опасностей. В методике даны количественные методы оценки экологических рисков при загрязнении окружающей среды и рекомендации по выбору расчетных зависимостей и моделей, охарактеризована существующая информационная база, используемая при оценке рисков и т.п.
      На основе предложенных моделей и зависимостей, описанных в методике, разработаны алгоритмы программной системы. Приведенные в методике данные использованы для создания справочного модуля программной системы поддержки принятия решений при загрязнении окружающей природной среды.
      Разработка имитационных моделей и программной системы поддержки принятия решений при загрязнении окружающей среды
      Для оценки риска воздействий при загрязнении окружающей природной среды в качестве количественной меры риска принимается вероятность реализации потенциальных опасностей:

(10)

      где W_k(HQ) – зависимость “доза-эффект”, условная вероятность нанесения вреда k объекту воздействия при поглощении концентрации (дозы) величиной C k -го вредного ингредиента; P_s – вероятность поглощения смеси вредных веществ объектом воздействия при наступлении неблагоприятных событий, связанных с загрязнением среды; P_w – вероятность пребывания объекта в зоне влияния в определенное время; HQ=C/I – коэффициент опасности; I – безопасный уровень; n – количество возможных опасных ингредиентов в изучаемой среде.            
      Характерный вид зависимости “доза-эффект” иллюстрируется рисунком 1.

     Рисунок 1. – Характерный вид зависимости “доза-эффект”

      A – безопасный уровень (ПДК или RfС); С – пороговая концентрация; В – наименьшая величина порога действия; F – наибольшая величина порога действия; AA_max – диапазон максимально недействующих концентраций; M – опорный уровень риска для чувствительных групп (увеличение частоты вредных реакций на 5-10 % по сравнению с фоном);

- область недействующего уровня;
- область порогового уровня;
- область опасного уровня.

      При количественной оценке риска обычно для описания сильных и слабых воздействий используют разные математические модели. Такой подход позволяет получить результаты, приближающиеся к фактическим данным. Следует отметить, что чаще всего при слабых воздействиях используют линейные зависимости “воздействие-эффект”, а при сильных – S-образные распределения с наглядно представленной неопределенностью, обусловленной вариабельностью данных.
      Безопасный уровень воздействия (ПДК или RfС) принимается как минимальное значение диапазона недействующих концентраций для наиболее чувствительных групп населения (или других объектов воздействия). Это следует из определения безопасного уровня – воздействие на человека соответствующей концентрации на протяжении всей его жизни вероятно не приведет к возникновению недопустимого риска для наиболее чувствительных групп населения.
      При хронических воздействиях максимальное значение диапазона недействующих концентраций (максимальное значение NOAEL) можно рассматривать как верхнюю границу недействующих концентраций. Эта граница представляет собой максимально недействующую концентрацию при воздействиях на нечувствительные группы.
      Диапазоны изменения риска при хронических и острых воздействиях в области недействующих концентраций можно задать из предположения, что на безопасном уровне воздействия риск не превышает приемлемый уровень риска (), а на уровне максимально недействующей концентрации (или NOAEL ) для нечувствительных групп риск может быть оценен, исходя из 5-10 % увеличения риска возникновения неблагоприятных эффектов в сравнении с риском естественного фона.
      Коэффициент опасности (HQ) рассчитывается отдельно для условий хронического, острого и рефлекторного действия вредных веществ.      
     Верхняя граница возможного риска определяется как линейно-квадратичная интерполяция кривой, проходящей через две точки на рисунке 1: A(HQ=1, R=R_p) и M(HQ_n, R_n), где R_p – риск, равный , R_n – риск, равный 0,1 при хроническом и остром действии и 0,2 при рефлекторном действии; HQ_n=C/MHK.
      Коэффициенты зависимости для верхней границы определяются согласно уравнению (11):

(11)

      где

      а величина MНK определяется с учетом коэффициентов внутривидовой чувствительности:

(12)

      Нижняя граница возможного риска определяется как нелинейная экстраполяция распределения Вейбулла:

(13)

      где R_n – риск, равный 0,05 при хроническом и остром действии и 0,1 при рефлекторном действии.
      Используя описанные выше имитационные модели и разработанную методику по оценке экологических рисков как алгоритмическую основу, была создана программная система поддержки принятия управленческих решений при загрязнении окружающей природной среды.

      Программная система состоит из следующих модулей:

     - ввода/вывода данных;
     - модуля прогнозирования рисков;
     - справочного модуля;
     - модуля оценки рисков;
     - модуля принятия решений.

       Выводы:

       Наиболее важные научные и практические результаты, полученные в работе, состоят в следующем.

1. Выполнен комплекс исследований, связанных с установлением закономерностей формирования и оценки рисков возникновения опасных событий при загрязнении окружающей природной среды и с разработкой моделей для оценки экологических рисков.
2. Разработана методика по оценке рисков при загрязнении окружающей природной среды, которая использована как алгоритмическое обеспечение для выбора оптимальных вариантов принятия решений при управлении качеством окружающей природной среды.
3. Создана программная система поддержки принятия решений с использованием методологии оценки рисков в области экологической безопасности.

       Литература:

1. Основы оценки риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду / Г.Г. Онищенко, С.М. Новиков, Ю.А. Рахманин, С.Л. Авалиани, К.А. Буштуева. – М.: НИИ ЭЧ и ГОС, 2002. – 408 с.
2. Р 2.1.10.19920-04. Руководство по оценке риска для здоровья населения при воздействии химических веществ, загрязняющих окружающую среду. – М.: Федеральный центр госсанэпиднадзора Минздрава России, 2004. – 143 с.
3. Киселев А.В., Фридман К.Б. Оценка риска здоровью. Подходы к использованию в медико-экологических исследованиях и практика управления качеством окружающей среды. – С.-Пб.: Дейта, 1997. – 100 с.
4. Risk Assessment Methods. Approaches for Assessing Health and Environmental Risks. Vincent T. Covvello, Miley W. Merkhofer. Plenum Press, 1993.
5. Методика визначення ризиків та їх прийнятних рівнів для декларування об’єктів підвищеної небезпеки. – К.: Основа, 2003. – 191 с.
6. Качинський А.Б. Безпека, загрози і ризик: наукові концепції та математичні методи. – К., 2003. – 472 с.
7. Сафонов В.С., Одишария Г.Э., Швыряев А.А. Теория и практика анализа риска в газовой промышленности. – М.: НУМЦ Минприроды России, 1996. – 207 с.
8. Временные методические указания по обоснованию предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. – М.: Мин-во здравоохранения СССР, Гл. санитарно-эпидемиологич. упр. 1989. – 110 с.
9. Методика определения предельно допустимых концентраций вредных газов для растительности. – М.: МЛИ Госкомплес СССР, 1988. – 15 с.
10. Методические указания по разработке и научному обоснованию ПДК вредных веществ в воде водоемов. М.: Минздрав СССР, 1976.
11. Методические указания по установлению ПДК загрязняющих веществ в воде рыбохозяйственных водоемов. – М.: ВНИРО, 1988.
12. Методические указания по установлению предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. – М.: Минрыбхоз СССР, 1986.
13. Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве. Издание второе. № 2609–82, Утв. МЗ СССР 05.08.82, М., 1982.