Основы информатизации и математического моделирования экологических систем

В.П. МЕШАЛКИН
О.Б. БУТУСОВ
А.Г. ГНАУК
ОСНОВЫ 
ИНФОРМАТИЗАЦИИ 
И МАТЕМАТИЧЕСКОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Допущено 
учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области 
химической технологии и биотехнологии
в качестве учебного пособия для студентов,
обучающихся по направлениям 18.03.02 и 18.04.02
«Энерго- и ресурсосберегающие процессы
химической технологии, нефтехимии 
и биотехнологии»
Москва
ИНФРА-М
2020

УДК 502.7+51(075.8)
ББК 20.1:32.81я73
 
М55
Р е ц е н з е н т ы:
академик РАН Николай Тимофеевич Кузнецов;
д-р физ.-мат. наук, профессор Александр Михайлович Степанов
М55 
Мешалкин В.П.
Основы информатизации и математического моделирования экологических систем : учебное пособие / В.П. Мешалкин, О.Б. Бутусов, 
А.Г
. Г
наук. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 357 с. — (Высшее образование).
ISBN 978-5-16-009747-3 (print)
ISBN 978-5-16-101154-6 (online)
Изложены концепция, теория и методологические основы экологической информатики и методы математического моделирования экологических систем в районе 
промышленных предприятий. Приведено описание основных методов экологической 
информатики, методов математического и компьютерного моделирования квазистатической (многолетней) динамики экосистем. Изложены теоретические основы расчета зависимо 
стей «доза — эффект»  как основных показателей степени воздействия атмосферных выбросов промышленных предприятий на окружающую среду, в том числе 
на лесные и водные экосистемы. Приведены методики расчета количественных оценок по зависимо 
стям «доза — эффект»  на основе системы интегральных индексов. 
Изложены результаты практического применения математических моделей лесных 
массивов в районе металлургических предприятий и математических моделей водных 
экосистем Германии. Описаны назначение и архитектура систем поддержки принятия 
решений по охране окружающей среды; изложены принципы автоматизированного 
принятия организационно-управленческих решений при аварийных выбросах химически опасных веществ в атмосферу.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 
18.03.02 и 18.04.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии, 
нефтехимии и биотехнологии», а также может быть использовано студентами, обучающимися по направлению 20.03.01 «Техносферная безопасность».
Книга может быть полезной преподавателям университетов, магистрантам и аспирантам, научным сотрудникам и предпринимателям, применяющим методы математического и компьютерного моделирования экосистем для повышения экономической и экологической эффективности промышленных предприятий.
УДК 502.7+51(075.8)
ББК 20.1:32.81я73
ISBN 978-5-16-009747-3 (print)
ISBN 978-5-16-101154-6 (online)
© Мешалкин В.П., Бутусов О.Б., Гнаук А.Г., 2010
Подписано в печать 18.05.2020. 
Формат 6090/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. 
Гарнитура Times. Усл. печ. л. 22,31. 
ППТ10. Заказ № 00000
ТК  122950-1111403-260809
ОО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1.
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86.     Факс: (495) 280-36-29.
E-mail: books@infra-m.ru                 http://www.infra-m.ru
Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»
127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

V.P. MESHALKIN
O.B. BUTUSOV
A.G. GNAUK
ECOLOGICAL SYSTEMS
INFORMATICS 
AND MATHEMATICAL
SIMULATION 
FUNDAMENTALS
MOSCOW
INFRA-M

 
 
Ecological systems informatics and mathematical  
simulation fundamentals 
 
Meshalkin V.P., Butusov O.B., Gnauk A. 
 
 
The concept, theory and methodological basis of ecological informatics and 
mathematical modeling of ecological systems near industrial pollution sources are 
presented. 
Described basic methods of ecological informatics, mathematical and computational modeling methods of quasi-static (many years) ecosystem dynamics. Advantages of exposure-response method as main criterion for environmental impact assessment from air industrial pollution are explained. The book introduces new exposure-response methods based on using of integral (complex) indices. The practical 
results of simulation of forest ecosystems near smelter and aquatic ecosystems of 
Germany are presented. 
Main features of decision making information system for chemical accident environmental protection are presented. 
The book is intended for students learning in the schooling line 240800 «Energy- and resource-saving processes in chemical technology, oil-chemistry and biotechnology»(specialties 240802 «Chemical production basic processes and chemical 
cybernetics» and 240803 «Material and energy resources conservation»); in the 
schooling line 280200 «Environment protection»(specialities 280201 «Environment 
protection and natural resources conservation» and 280202 «Environment protection 
engineering»); in the speciality 073900 «Management of high technologies» and also 
for the students learning in the speciality 230401 «Applied mathematics» while 
studying «Mathematical modeling». 
The book might also be helpful for the university professors, masters-students, 
post graduate students, business school students, science researchers and businessmen 
which make use of mathematical and computer modeling of ecosystems for best economic and ecological characteristics of their business. 
 
 
4
 

 
 
Содержание 
 
Представление книги..................................................................................................................11 
Предисловие................................................................................................................................14 
Список основных латинских и русских сокращений ................................................................18 
Введение......................................................................................................................................20 
Часть I. Информатизация экологических систем и методы экологической информатики......23 
Глава 1. Математические методы анализа и модели экологической информатики.................23 
1.1. Понятия и определения анализа экологических систем..................................................23 
1.2. Основные понятия информатизации экологических систем и экологической 
информатики............................................................................................................................26 
1.2.1. Объекты, предмет исследования и средства экологической информатики..............26 
1.2.2. Накопление и хранение экологических данных........................................................30 
1.2.3. Математические методы обработки экологических данных ....................................31 
1.2.4. Компьютерно- информационные системы хранения и отображения экологичес-   
ких данных............................................................................................................................34 
1.3. Математические процедуры сбора и обработки экологических данных........................36 
1.3.1. Планирование выборки экологических данных ........................................................36 
1.3.2. Интерполяция и визуализация экоданных.................................................................38 
1.3.3 Методы аппроксимации и оценки трендов экологических данных...........................42 
1.4. Статистические модели экоданных..................................................................................46 
1.4.1. Статистический анализ экологических данных.........................................................46 
1.4.2. Регрессионные модели и корреляционный анализ.......................................................55 
1.4.3. Основы корреляционного анализа .............................................................................59 
1.4.4. Нелинейные регрессионные модели .............................................................................62 
1.5. Методы цифровой фильтрации экологических сигналов................................................63 
1.5.1. Фурье-анализ экологических данных ........................................................................65 
1.5.2. Периодограммы и функции когерентности экологических данных............................67 
1.6. Математические модели циклических экологических процессов..................................70 
Глава 2. Классификация и методика разработки математических моделей экологических 
систем..........................................................................................................................................79 
2.1. Физические и математические модели экологических систем.......................................79 
2.2. Концептуальные модели экологических систем .............................................................82 
2.3. Понятие идентификации экосистем.................................................................................84 
2.4. Типы и методика разработки математических моделей экосистем................................86 
2.5. Математические модели динамических процессов.........................................................89 
2.6. Методика разработки математических моделей типовых процессов в экосистемах.....91 
2.7. Методика разработки динамических моделей водных экосистем..................................97 
2.8. Методика разработки математических моделей процессов эвтрофикации вод...........100 
Часть II. Алгоритмы расчета показателей качества и оценок воздействия на окружающую 
среду промышленных предприятий.........................................................................................108 
Глава 3. Виды оценок воздействия на окружающую среду....................................................108 
3.1. Понятие качества экологических систем и оценки воздействия на окружающую              
среду.......................................................................................................................................108 
3.2. Особенности математического моделирования лесных экологических систем ..........114 
3.3. Интегральные индексы как многоатрибутные оценки состояния экологических         
систем.....................................................................................................................................118 
Глава 4. Методы и алгоритмы расчета показателей качества окружающей среды в                 
районе промышленных предприятий.......................................................................................130 
4.1. Методы и алгоритмы расчета интегральных индексов оценки качества окружаю-             
щей среды...............................................................................................................................130 
5
 

 
4.2. Алгоритмы расчета многокритериальных и многоатрибутных показателей качества 
окружающей среды................................................................................................................138 
4.2.1. Алгоритмы кластеризации лесных массивов..............................................................138 
4.2.2. Алгоритмы расчета главного интегрального индекса для ранжирования состоя-                
ния лесных массивов .............................................................................................................147 
4.3. Алгоритмы оценки качества окружающей среды с использованием доза-эффект 
зависимостей..........................................................................................................................151 
4.3.1. Алгоритм анализа доза-эффект зависимостей для формирования лингвистичес-            
кого словаря оценок качества окружающей среды..............................................................151 
4.3.2. Алгоритм k-средних кластеризации лесных массивов...............................................158 
4.3.3. Агломеративный алгоритм кластеризации лесных массивов....................................164 
4.3.4. Алгоритмы расширения лингвистического словаря экологического районирова-             
ния лесных массивов .............................................................................................................170 
4.4. Методика использования аэрокосмической съемки для экологического зонирования 
лесных массивов....................................................................................................................172 
Часть III. Системы поддержки принятия решений по управлению качеством окружающей 
среды..........................................................................................................................................175 
Глава 5. Назначение и архитектура систем поддержки принятия решений по охране 
окружающей среды...................................................................................................................175 
5.1. Методологические основы компьютерного моделирования экологических систем                
и принятия решений по охране окружающей среды............................................................175 
5.1.1. Компьютерное моделирование экологических систем ...........................................175 
5.1.2 Процедура принятия решений в управлении охраной окружающей среды............178 
5.2. Общая характеристика систем поддержки принятия решений по охране окружа-          
ющей среды.........................................................................................................................180 
5.2.1. Основные концепции разработки систем поддержки принятия решений по 
управлению качеством окружающей среды.........................................................................183 
5.2.2. Назначение и архитектура систем поддержки принятия решений по управлению 
качеством водных экосистем ................................................................................................187 
Глава 6. Автоматизированное принятие организационно-управленческих решений при 
выбросах аварийно  химически опасных веществ в атмосферу .............................................197 
6.1. Системный анализ и информационные модели промышленных объектов как 
источников химических аварий ............................................................................................197 
6.1.1. Понятия химически опасных объектов и химических аварий................................197 
6.1.2. Виды воздействий аварийно химически опасных веществ на окружающую               
среду....................................................................................................................................201 
6.1.3. Информационные модели объектов при анализе воздействий аварийно             
химически опасных веществ..............................................................................................208 
6.2. Процедура ранжирования химически опасных объектов .............................................212 
6.2.1. Обоснование вида интегрального показателя ранжирования химически опасных 
объектов..............................................................................................................................212 
6.2.2. Формирование и расчет интегрального показателя ранжирования химически 
опасных объектов ...............................................................................................................214 
6.2.3. Пример ранжирования химически опасных объектов  на ограниченной             
территории..........................................................................................................................218 
6.3. Программное обеспечение систем поддержки принятия решений по охране 
окружающей среды при газовых выбросах..........................................................................225 
6.3.1. Прикладные комплексы программ моделирования  выбросов...............................225 
6.3.2. Методика расчета оценок воздействий на окружающую среду выброса               
аварийно химических опасных веществ............................................................................227 
6.3.3. Разработка и функционирование программного обеспечения для моделиро-              
вания выбросов АХОВ. ......................................................................................................237 
6
 

 
6.4. Методы принятия организационно-управленческих решений при выбросах АХОВ                
с использованием сетей Петри..............................................................................................240 
6.4.1. Сети Петри как топологические модели функционирования техногенно-         
природных систем ..............................................................................................................240 
6.4.2. Методология моделирования аварийной ситуации и разработки управленческих 
решений с использованием сетей Петри ...........................................................................243 
6.4.3. Процедура разработки оптимального плана по предупреждению и ликвидации 
последствий химических аварий........................................................................................248 
6.4.4. Процедура разработки плана взаимодействия различных организаций при 
ликвидации химической аварии.........................................................................................251 
6.5. Разработка и практическое использование системы поддержки принятия решений               
в условиях выбросов аварийно химически опасных веществ..............................................256 
6.5.1. Архитектура и программное обеспечение системы поддержки принятия              
решений в условиях выбросов АХОВ ...............................................................................256 
6.5.2. Географические информационные системы и построение электронных карт 
контролируемой территории..............................................................................................259 
6.5.3. Интерфейс и режимы функционирования системы поддержки принятия               
решений...............................................................................................................................262 
Глава 7. Разработка и применение автоматизированной системы оценки качества 
окружающей среды в районе металлургических предприятий...............................................279 
7.1. Архитектура и программное обеспечение автоматизированной системы ...................279 
7.2. Базы данных показателей качества окружающей среды и модуль управления 
вычислительными процедурами ...........................................................................................283 
7.3. Автоматизированная процедура управления качеством окружающей среды в         
районе металлургического комбината..................................................................................289 
7.3.1. Расчет доза-эффект зависимости для лесных участков в районе комбината 
«Печенганикель» ...................................................................................................................289 
7.3.2. Расчет интегральных индексов качества лесных участков в районе комбината.......292 
7.3.3. Применение интегральных индексов для экологического зонирования лесных 
массивов в районе комбината................................................................................................297 
7.4. Анализ результатов оценки качества окружающей среды в районе комбината ..........304 
Англо-русский словарь основных терминов……………………………………………….......310 
Русско-английский словарь основных терминов……..……………………………...………...325 
Глоссарий…………………………………………………………………………………………340 
Литература………………………………………………………………………………………..352 
 
7
 

 
 
Contents 
 8 
The book presentation 
11 
Foreword 
14 
Main abbreviations 
18 
Introduction 
20 
Part I. Ecological systems informatization and ecological informatics methods 
23 
Chapter 1. Mathematical methods of analysis and models of ecological informatics 23 
1.1. Analysis, conceptions and definitions of ecological systems 
23 
1.2. Principal concepts of ecological systems informatization and ecological  
informatics 
26 
1.2.1. Subjects and topic of research and tools of ecological informatics 
26 
1.2.2. Accumulation and storing of ecological data 
30 
1.2.3. Mathematical methods of ecological data processing 
31 
1.2.4. Computer-aided systems of storing and visualization of ecological data 
34 
1.3. Mathematical procedures of ecological data acquisition and processing 
36 
1.3.1. Ecological data sampling planning 
36 
1.3.2. Interpolation and visualization of ecological data 
38 
1.3.3 Approximation and trend testing of ecological data 
42 
1.4. Statistical models of ecodata 
46 
1.4.1. Statistical analysis of ecological data 
46 
1.4.2. Regression and correlation analysis 
55 
1.4.3. Fundamentals of correlation analysis 
59 
1.4.4. Nonlinear regression models 
62 
1.5. Digital filtering methods of ecological signals 
63 
1.5.1. Fourier-analysis of ecological data 
65 
1.5.2. Periodograms and coherence functions of ecological data 
67 
1.6. Mathematical models of cyclic ecological processes 
70 
Chapter 2. Classification and development of ecological systems mathematical  
models 
79 
2.1. Physical and mathematical models of ecological systems 
79 
2.2. Conceptual models of ecological systems 
82 
2.3. Ecosystem identification concept 
84 
2.4. Types and development methods of mathematical models of ecological systems 86 
2.5. Mathematical models of dynamic processes 
89 
2.6. Method of mathematical models development for standard processes in  
ecosystems 
91 
2.7. Method of mathematical models development for aquatic ecosystems 
97 
2.8. Method of mathematical models development for water eutrophication 
100 
Part II. Algorithms of quality indices calculation and environmental impact  
assessment from industrial enterprises 
108 
Chapter 3. Different types of environmental impact assessment 
108 
3.1. Concept of ecosystem quality and environmental impact assessment 
108 
3.2. Peculiar features of mathematical modeling of ecological systems 
114 
3.3. Integral indices as many attributes assessments of ecological systems states 
118 
Chapter 4. Methods and algorithms of quality indices calculation for environment  
around industrial enterprises 
130 
4.1. Methods and algorithms of integral indices calculation for environmental  
quality assessment 
130 
4.2. Many criterial and many attribute algorithms of environmental quality indices  
calculation 
138 
4.2.1. Forest clustering algorithms 
138 
8
 

 
4.2.2. Algorithm of principal integral index calculation for ranking of forest areas 
147 
4.3. Exposure-response algorithm of environmental quality assessment 
151 
4.3.1. Algorithm of analysis of the exposure-response dependences for  
linguistic environmental quality vocabulary creation 
151 
4.3.2. Algorithm of cluster analysis of the forest areas using K-means method 
158 
4.3.3. Agglomerative algorithm for forest area clustering 
164 
4.3.4. Algorithm for forest area quality ranking increasing vocabulary 
170 
4.4. Remote sensing methods for forest area ecological zoning 
172 
Part III. Environmental quality control support decision making systems 
175 
Chapter 5. Nomination and architecture of environmental management support  
decision making systems 
175 
5.1. Methodological foundations of computational modeling of ecological systems  
and environmental protection decision making 
175 
5.1.1. Computational modeling of ecological systems 
175 
5.1.2. Environmental protection management decision making procedure 
178 
5.2. Common features of environmental protection management decision making  
systems 
178 
5.2.1. Principal concepts of development of environmental quality management  
systems 
183 
5.2.2. Nomination and architecture of water quality management decision making  
systems 
187 
Chapter 6. Computer-aided organizational managerial decision making for  
relies of  dangerous chemicals in atmosphere 
197 
6.1. The system analysis and industrial objects information models as sources of  
chemical failures  
197 
6.1.1. Concept of chemically dangerous objects and chemical failures  
197 
6.1.2. Kinds of influences of emergency chemically dangerous substances on an  
environment  
201 
6.1.3. Objects information models at the analysis  of emergency chemically  
 
dangerous substances influences.  
208 
6.2. The ranging procedure of chemically dangerous objects  
212 
6.2.1. A substantiation of  integrated parameter kind of ranging of chemically  
 
dangerous objects  
212 
6.2.2. Formation and calculation of an integrated parameter of ranging of  
chemically dangerous objects  
214 
6.2.3. An example of ranging of chemically dangerous objects in the limited territory 218 
6.3. The software of decision-making support systems on environment protection  
 
from gas emissions  
225 
6.3.1. Applied program complexes of emission modeling 
225 
6.3.2. A procedure of environmental impact assessment from chemical dangerous  
emissions  
227 
6.3.3. Development and operating of the software for emission modeling of  
chemically dangerous substances  
237 
6.4. Organizational-administrative decision-making methods under chemically  
dangerous substances  relies with Petry-nets using  
240 
6.4.1. Petry nets as topological models of industrial-natural systems functioning 
240 
6.4.2. Modeling methodology of an emergency incidents and development of  
administrative decisions with Petry-nets using.  
243 
6.4.3. Development procedure of the optimum plan under the prevention and  
liquidations of consequences of chemical failures.  
248 
6.4.4. Development procedure of the plan of interaction between the various  
organizations at liquidation of chemical failure  
251 
9
 

 
6.5. Development and practical application of  decision-making support system   
under chemically dangerous substances relies 
256 
6.5.1. Architecture and the software of decision-making support system  under  
chemically dangerous substances relies 
256 
6.5.2. Geographical information systems and development of controllable territory  
electronic maps 
259 
6.5.3. The interface and operation modes of decision-making support system   
262 
Chapter 7. Development and application of the information system of the  
environmental quality assessment near metallurgical enterprises 
279 
7.1. Architecture and software of the information system 
279 
7.2. Databases of environmental quality indices and calculation management model 283 
7.3. Environmental quality management near metallurgical plants 
289 
7.3.1. Exposure-response dependences calculation for forest areas near  
«Pechenga-Nikel» smeltery 
289 
7.3.2. Forest areas near smeltery quality integral indices calculation 
292 
7.3.3. Application of integral indices for ecological zoning of forests near smeltery 
297 
7.4. Environmental quality assessment near smeltery results analysis 
304 
English-Russian dictionary 
 
 
 
 
 
 
 
   310 
Russian-English dictionary 
325 
Main terms glossary 
340 
References 
352 
 
10