Актуальність теми. Сучасний етап розвитку України ставить нові вимоги до ефективності прийняття оперативних і стратегічних рішень на усіх рівнях управління – від державного до муніципального, виконання яких неможливе без використання комп’ютерних технологій. З огляду на масштаби і значимість проблеми забруднення навколишнього природного середовища існує необхідність виконання низки природоохоронних заходів, спрямованих на прийняття рішень у галузі екологічної безпеки. Актуальною задачею при цьому стає розробка програмних систем підтримки прийняття рішень
       При обробці та зіставленні екологічних показників регіонів традиційно використовують загальновизнані статистичні методи та будують карти розподілу забруднення навколишнього природного середовища за територією. Такий підхід часто не відповідає сучасним вимогам щодо ефективності прийняття управлінських рішень. Сьогодні у світовій практиці для низки завдань, пов’язаних з вирішенням питань безпеки у різних сферах життєдіяльності людини та охорони довкілля, при прийнятті рішень активно впроваджується методологія оцінки ризиків.
       Разом з тим, обробка та аналіз великих масивів екологічної інформації для оцінки небезпек, пов’язаних з забрудненням довкілля, вимагають створення ефективної програмної системи. Це, у свою чергу, обумовлює актуальність розробки математичних моделей та алгоритмів оцінки ризиків для вибору оптимальних варіантів прийняття управлінських рішень при регулюванні якістю природного середовища.
       Таким чином, виникає нагальна потреба розробки програмної системи підтримки прийняття рішень щодо управління розвитком та екологічним станом території регіонів. Нині в Україні відсутні програмні системи для підтримки прийняття рішень, які орієнтовані на застосування методології оцінки ризиків забруднення довкілля. Отже, тема магістерської роботи, яка пов'язана з розробкою програмної системи підтримки прийняття рішень з використанням методології оцінки ризиків забруднення природного середовища, є актуальною.

       Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.Важливість проблеми підтверджено Законами України “Про екологічну експертизу” (стаття 5), «Про екологічний аудит» (стаття 25), Постановою Верховної Ради України “Про основні напрями державної політики України в галузі охорони довкілля, використання природних ресурсів та забезпечення екологічної безпеки” (№ 188/98-ВР від 05.03.98).
       Робота виконувалась відповідно до плану науково-дослідних робіт Донецького національного технічного університету – держбюджетної НДР Д-25-03 “Разработка основ комплексной оценки воздействий на окружающую среду в системе экологического мониторинга промышленно развитых регионов” (№ держ. реєстрації 0103U001732) та госпрозрахунковою НДР № 06-271 “Разработка и издание Доклада о состоянии окружающей природной среды г. Донецк в 2004 – 2005 гг.”, а також при розробці Програм оздоровлення атмосферного повітря міст Макіївка та Краматорськ на 2007 – 2015 роки.

       Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:
     - у створенні імітаційних моделей оцінки ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища, які відрізняються імовірнісним представленням залежностей “доза-ефект” щодо різних видів впливу на людину та інші живі об’єкти, що дозволяють враховувати невизначеність ризиків для груп популяції різної вразливості (найбільш вразливі, середньо вразливі та менш вразливі);
     - у розробці методики з оцінки екологічних ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища, яку можна використовувати як алгоритмічне забезпечення для оцінки ефективності прийняття управлінських рішень за показниками ризику;
     - у запропонуванні критерію вибору пріоритетних напрямків прийняття управлінських рішень щодо зниження ризику, який засновано на порівнянні оціночних характеристик фактичного ризику з прийнятними рівнями ризику.

       Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджуються: застосуванням сучасних методів оцінки ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища, застосуванням апробованих методів статистичної обробки даних і математичного моделювання складних систем; використанням загальновизнаних методів ідентифікації небезпек, оцінки залежностей “доза-ефект” та характеристики ризику; адекватністю розроблених імітаційних моделей; апробацією отриманих результатів роботи на практиці.

       при забрудненні навколишнього природного середовища, яке дозволяє проводити визначення фактичного рівня ризику.

       Практичне значення одержаних результатів пов’язано з удосконаленням програмних систем підтримки прийняття рішень щодо зниження ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища.

       Апробація результатів магістерської дисертації. Основні наукові положення і результати роботи доповідалися й обговорювалися на конференції з інформаційних технологій “Екософт-2005” (м. Київ, 2005 р.), на IV і V Міжнародних наукових конференціях аспірантів та студентів “Охорона навколишнього середовища та раціональне використання природних ресурсів” (м. Донецьк, 2005 і 2006 рр.), на науково-практичній конференції “Актуальні питання гігієни та екологічної безпеки України” (м. Київ, 2005 р.), на Міжнародній науковій конференції “Моделювання-2006” (м. Київ, 2006 р.), на ІІ і ІІI Всеукраїнських науково-практичних конференціях “Охорона навколишнього середовища промислових регіонів як умова сталого розвитку України” (м. Запоріжжя, 2006 і 2007 рр.) і III Міжнародній науково-технічній конференції молодих вчених та студентів «Информатика и компьютерные технологии» (м. Донецьк, 2007).

       Публікації. За темою магістерської роботи опубліковано: 17 друкованих праць (з них 10 у професійних наукових виданнях, доданих до Переліку ВАК України, і 7 у наукових виданнях і у збірниках тез доповідей на наукових та науково-практичних конференціях).

       Основний зміст роботи
       Аналіз особливостей та закономірностей щодо формування та оцінки ризиків виникнення небезпечних подій при забрудненні навколишнього природного середовища
       Теорія аналізу ризику створена відомими вченими: В. Маршалом, Е. Хенлі, Х. Кумамото. Ними запропонована методологія оцінки небезпеки і ризику, що широко застосовується у світовій практиці. Питання оцінки техногенних і екологічних ризиків знайшли також широке відображення у роботах С.Л. Аваліані, П.Г. Бєлова, Г.M. Грея, А.Б. Качинського, А.В. Кісєльова, Д. Маккея, С.М. Мягкова, Ман-Сунга Ім., С.М. Новікова, С.З. Поліщука, Н.Ф. Реймерса, Н.П. Тіхомірова, Ж.С. Еванса та ін. Однак багатьма авторами відзначається, що, незважаючи на велику кількість наукових праць у цьому напрямку, питання, пов'язані з вивченням особливостей і закономірностей небезпечних процесів у навколишньому природному середовищі та розробкою моделей небезпек і ризику, маловивчені.
       Основою методології оцінки ризику є ідентифікація і визначення рівня небезпеки. Для кожного великого міста України визначено перелік пріоритетних (найбільш поширених та небезпечних) забруднюючих речовин, які підлягають контролю при екологічному моніторингу. Так, наприклад, кількісна оцінка небезпеки і ризику при забрудненні атмосферного повітря виконана у роботі для переліку речовин, викиди яких у атмосферне повітря підлягають контролю та регулюванню у промислових містах: аміак, діоксид азоту, оксид азоту (II), діоксид сірки, оксид вуглецю, фенол, формальдегід, пил, сірководень, бенз( )пірен, кадмій, залізо, марганець, мідь, нікель, свинець, хром і цинк.
       Більшість визначень ризику для різних об’єктів живої природи (людина, тварини, рослини, риби, водні організми та біосфера в цілому) при впливі шкідливих речовин, які забруднюють навколишнє природне середовище, зводяться до того, що ризик – це ймовірність реалізації потенційної небезпеки, викликаної впливом зовнішніх факторів і діяльністю людини, що сприяє виникненню негативних наслідків. У кількісному плані ризик визначається умовною ймовірністю нанесення шкоди людині (біосистемі) і ймовірністю настання несприятливих подій та розраховується за формулою:

(1)

      где W_i(I_i) – умовна ймовірність нанесення шкоди людині (біосистемі) у випадку реалізації небезпеки величиною I_i ; P_i(I_i) – ймовірність реалізації небезпеки I_i при настанні несприятливих подій;m – число можливих небезпек одного класу.
       Нині у загальній методології оцінки ризику при аналізі небезпеки забруднення навколишнього середовища існує низка загальновизнаних положень (гіпотез).
       1. Головне положення полягає у тому, що ризик(R) пов'язано з небезпекою (I), яка може бути обмірювана або кількісно визначена, тобто ризик можна зобразити як імовірнісний розподіл, що залежить від небезпеки:

(2)

       2. Багато небезпек при забрудненні природного середовища піддаються кількісному виміру і мають властивість адитивності (можливо з визначеною вагою . З цього випливає, що:

(3)

      де I_i – кількісний показник i -тої небезпеки.
      У питанні про те, яку величину варто приймати за кількісний показник небезпекиI_i при забрудненні навколишнього середовища, поки що не існує повної згоди серед фахівців. При складанні небезпек одного класу для їхньої оцінки у теорії аналізу ризику застосовують різні показники – коефіцієнти небезпеки (НQ), логарифми концентрацій шкідливих речовин і коефіцієнтів небезпеки, пробіт-функції, що залежать від концентрації C и часу T вигляду або тільки від коефіцієнту небезпеки вигляду різні кількісні показники, визначені експериментально, тощо.
      3. При ранжуванні небезпек застосовується пороговий принцип з використанням тих або інших порогів впливів. Для кількісної оцінки ризику небезпечних ефектів використовується формула розрахунку коефіцієнта небезпеки:

(4)

      де P_i – поріг (рівень) безпечного впливу для i -тої небезпеки одного класу, заданий у тих самих одиницях, що і кількісний показник небезпеки I_i .
      У світовій практиці при дії хімічних небезпек у якості порогів використовується велике число рівнів безпечного впливу – це референтні дози та концентрації (RfD и RfC), гранично допустимі концентрації (ПДК), рівні мінімального ризику (MRL) тощо.
      4. Пороговий принцип і положення про адитивність небезпек дозволяють при вимірі кумулятивних небезпек користуватися різними адитивними індексами. Звично індекс небезпеки ( HQ ) розраховується за формулою:

(5)

      5. В теорії аналізу ризиків прийнято, що ризики при малих значеннях (R<<1) складаються, тобто:

(6)

      При великих значеннях ризиків сумарні (кумулятивні) ризики визначаються відповідно до правила додавання і множення ймовірностей спільної появи незалежних подій:

(7)

      У теорії аналізу ризику також вважається, що функції ризиків R(I_i) якісно однакові (описуються однаковими функціональними залежностями) для небезпек одного класу.
      6. Експериментальна обробка великого обсягу статистичних даних при впливах різних шкідливих хімічних речовин дозволила прийняти гіпотезу про зображення функції (2) у вигляді S-образного розподілу, що моделюється логарифмічно-нормальним або експоненціальним розподілом, розподілом Вейбулла або гамма-розподілом тощо.
      Наприклад, у існуючій методології оцінки ризику здоров'ю і життю людин при впливі хімічних речовин нині широко використовують логарифмічно-нормальний розподіл вигляду:

(8)

      Верхня межа інтегрування є так званою пробіт-функцією (Prob_i), що відбиває зв'язок між імовірністю ураження і поглиненою (впливовою) дозою (концентрацією). Для її обчислення використовується логарифмічна залежність вигляду:

(9)

      де і – параметри, що залежать від токсикологічних властивостей речовини та видів впливів, C_i – концентрація шкідливої речовини.
      Отримані на першому етапі роботи результати сприяли узагальненню основних експериментальних і системних закономірностей щодо формування та оцінки ризиків виникнення небезпечних подій при забрудненні навколишнього природного середовища. Ці закономірності у подальшому були покладені в основу теоретичної частини роботи.
      Розробка методичного забезпечення щодо оцінки ризиків як алгоритмічної основи для вибору оптимальних варіантів прийняття рішень.
      Відповідно до наведених вище закономірностей щодо формування та оцінки ризиків виникнення небезпечних подій розроблена методика з оцінки екологічних ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища. Розроблена методика стала підґрунтям для створення алгоритмів оцінки ризиків та програмної системи підтримки прийняття рішень.      

Методика містить наступні розділи.
1. Загальні положення.
2. Методологія аналізу ризику.
3. Порядок здійснення оцінки екологічних ризиків.
4. Склад та зміст робіт щодо оцінки екологічних ризиків.
5. Визначення прийнятного ризику.
6. Прийняття рішень щодо зменшення ризиків та інформування про ризик.
   Додатки.

      У методиці стисло надано схему аналізу ризику, розкрито процедури, які пов’язані з оцінкою ризиків, управлінням та інформуванням про ризики. Наведено порядок здійснення аналізу небезпек та ризиків, етапи, цілі та завдання робіт з оцінки екологічних ризиків. Також у методиці прописано загальні принципи аналізу небезпек та описано етапи виконання робіт. Наведено склад та зміст робіт щодо оцінки екологічних ризиків, розкрито порядок здійснення ідентифікації екологічних небезпек, охарактеризовано методи збору та аналізу вихідних даних, надана методика вибору показників небезпеки шкідливих факторів, принципи вибору пріоритетних забруднювачів довкілля, а також запропоновано методи дослідження небезпек. У методиці надано кількісні методи оцінки екологічних ризиків при забрудненні довкілля та рекомендації з вибору розрахункових залежностей та моделей, охарактеризована існуюча інформаційна база, яка використовується при оцінці ризиків тощо.
      На підставі запропонованих моделей та залежностей, які описано у методиці, розроблено алгоритми програмної системи. Наведені у методиці дані використано для створення довідкового модуля щодо програмної системи підтримки прийняття рішень при забрудненні навколишнього природного середовища.
      Розробка імітаційних моделей та програмної системи підтримки прийняття рішень при забрудненні довкілля
      Для оцінки ризику впливів при забрудненні навколишнього природного середовища в якості кількісної міри ризику приймається ймовірність реалізації потенційних небезпек:

(10)

      де W_k(HQ) – залежність “доза-ефект”, умовна ймовірність нанесення шкоди об’єкту впливу при поглинанні концентрації (дози) величиною C k-го шкідливого інгредієнта; P_s – ймовірність поглинання суміші шкідливих речовин об’єктом впливу при настанні несприятливих подій, що пов’язані з забрудненням середовища; P_w – ймовірність перебування об’єкта у зоні впливу за певний час; HQ=C/I – коефіцієнт небезпеки; I – безпечний рівень; n – кількість можливих небезпечних інгредієнтів у середовищі, що вивчається.            
      Характерний вигляд залежності “доза-ефект” ілюструється рисунком 1.

     Рисунок 1. – Характерний вигляд залежності “доза-ефект”

      A – безпечний рівень (ПДК или RfС); С – порогова концентрація; В – найменша величина порога дії; F – найбільша величина порога дії; AA_max – діапазон максимально недіючих концентрацій; M – опорний рівень ризику для вразливих груп (збільшення частоти шкідливих реакцій на 5 – 10 % у порівнянні з фоном);

- область недіючого рівня;
- область порогового рівня;
- область небезпечного рівня.

      При кількісній оцінці ризику зазвичай для опису сильних та слабких впливів використовують різні математичні моделі. Такий підхід дозволяє отримати результати, які наближаються до фактичних даних. Слід зазначити, що частіше за все при слабких впливах використовують лінійні залежності “вплив-ефект”, а при сильних – S-образні розподіли з наочно представленою невизначеністю, що зумовлено варіабельністю даних.
      Безпечний рівень впливу (ПДК или RfС) приймається як мінімальне значення діапазону недіючих концентрацій, що спостерігається у найбільш вразливих груп населення (або інших об’єктів впливу). Це випливає з визначення безпечного рівня – вплив на людину відповідної концентрації протягом усього її життя ймовірно не приведе до виникнення неприпустимого ризику для найбільш вразливих груп населення.
      При хронічних впливах максимальне значення діапазону недіючих концентрацій (максимальне значення NOAEL) можливо розглядати як верхню межу недіючих концентрацій. Ця межа уявляє собою максимальну недіючу концентрацію при впливах на невразливі групи.
      Діапазони зміни ризику при хронічних та гострих впливах в області недіючих концентрацій можна задати з припущення, що на безпечному рівні впливу ризик не перевищує прийнятний рівень ризику (), а на рівні максимально недіючої концентрації (або NOAEL ) для невразливих груп ризик може бути оцінений, виходячи з 5 – 10 % збільшення ризику виникнення несприятливих ефектів у порівнянні з ризиком природного фону.
      Коефіцієнт небезпеки (HQ) обраховується відокремлено для умов хронічної, гострої та рефлекторної дії шкідливих речовин.      
     Верхня межа можливого ризику визначається як лінійно-квадратична інтерполяція кривої, що проходить через дві точки на рисунку 1: A(HQ=1, R=R_p) і M(HQ_n, R_n), де R_p – ризик, що дорівнює , R_n – ризик, що дорівнює 0,1 при хронічній та гострій дії та 0,2 при рефлекторній дії; HQ_n=C/MHK.
      Коефіцієнти залежності щодо верхньої межі визначаються відповідно до рівняння (11):

(11)

      де

      а величина MНK визначається з урахуванням коефіцієнтів внутрівидової вразливості:

(12)

      Нижня межа можливого ризику визначається як нелінійна екстраполяція розподілу Вейбула:

(13)

      де R_n – ризик, що дорівнює 0,05 при хронічній та гострій дії та 0,1 при рефлекторній дії.
      Використовуючи вищезгадані імітаційні моделі та розроблену методику з оцінки екологічних ризиків як алгоритмічну основу, створено програмну систему підтримки прийняття рішень при забрудненні навколишнього природного середовища.

      Програмна система складається (об’єднує) з наступних модулів:

     - введення/виведення даних;
     - модуля прогнозування ризиків;
     - довідкового модуля;
     - модуля оцінки ризиків;
     - модуля прийняття рішень.

       Висновки:

       Найбільш важливі наукові і практичні результати, що отримано у роботі, полягають у наступному.

1. Виконано комплекс досліджень, які пов’язані зі встановленням закономірностей щодо формування та оцінки ризиків виникнення небезпечних подій при забрудненні навколишнього природного середовища та з розробкою моделей для оцінки екологічних ризиків.
2. Розроблено методику з оцінки ризиків при забрудненні навколишнього природного середовища як алгоритмічну основу для вибору оптимальних варіантів прийняття рішень при управлінні якістю навколишнього природного середовища.
3. Створена програмна система підтримки прийняття рішень з використанням методології оцінки ризиків в області екологічної безпеки.

       Література:

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.