Основы информатизации и математического моделирования экологических систем

ОСНОВЫ 
ИНФОРМАТИЗАЦИИ 
И МАТЕМАТИЧЕСКОГО 
МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ

О.Б. БУТУСОВ
В.П. МЕШАЛКИН

2-е издание, переработанное и дополненное

Допущено учебно-методическим объединением вузов 
Российской Федерации по образованию в области химической технологии 
и биотехнологии в качестве учебного пособия для бакалавриантов и магистрантов, 
обучающихся по направлению 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы 
химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

Москва
ИНФРА-М
2024

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК 502+51-7(075.8)
ББК 20.17:22.1я73
 
Б93

Р е ц е н з е н т ы:
Н.Т. Кузнецов, доктор химических наук, профессор, академик Российской академии наук, директор Института общей и неорганической химии 
имени Н.С. Курнакова Российской академии наук;
А.М. Степанов, доктор физико-математических наук, профессор, профессор Национального исследовательского технологического университета «МИСИС»

ISBN 978-5-16-016994-1 (print)
ISBN 978-5-16-109576-8 (online)

©  Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., 
Гнаук А.Г., 2010
©  Бутусов О.Б., Мешалкин В.П., с изменениями, 2023

Бутусов О.Б.
Б93  
Основы информатизации и математического моделирования экологических систем : учебное пособие / О.Б. Бутусов, В.П. Мешалкин. — 
2-е изд., перераб. и доп. — Москва : ИНФРА-М, 2024. — 374 с. — (Высшее образование). — DOI 10.12737/1477254.
ISBN 978-5-16-016994-1 (print)
ISBN 978-5-16-109576-8 (online)
Изложены концепция, теория и методологические основы экологической информатики, описаны инструмен ты информатизации и цифровизации техногенно-природных систем, рассмотрены методы математического 
моделирования экологических систем в районах промышленных предприятий. Приведено описание основных методов экологической информатики, 
методов математического и компьютерного моделирования квазистатической (многолетней) динамики экосистем. Изложены теоретические основы 
расчета «доза-эффект»-зависимостей как основных показателей степени 
воздействия выбросов промышленных предприятий на окружающую среду. Даны результаты практического применения математических моделей 
лесных массивов. Описаны назначение и архитектура систем поддержки 
принятия решений по охране окружающей среды; изложены принципы 
автоматизированного принятия организационно-управленческих решений 
по снижению выбросов аварийно опасных химических веществ в атмосферу.
Соответствует требованиям федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования последнего поколения.
Для бакалавриантов и магистрантов, обучающихся по направлению 
подготовки «Энерго- и ресурсосберегающие процессы химической технологии, нефтехимии и биотехнологии». Также может быть использовано 
бакалавриантами и магистрантами, обучающимися по направлениям подготовки «Техносферная безопасность» и «Организация и управление наукоемкими производствами».

УДК 502+51-7(075.8)
ББК 20.17:22.1я73

Список основных латинских 
и русских сокращений

BOD (Biological oxygen 
demand)
БПК (биологическое потребление 
кислорода) 
BOD (Biochemical Oxygen 
Demand)
Биохимическое потребление кислорода 
BP (Biomass Potential)
Потенциал биомассы 
BSB (Biological oxygen 
saturation)
БНК (биологическое насыщение 
кислорода) 
CDO (Chemically dangerous 
object)
ХОО — Химически опасный 
объект
CHA (Canadian High Arctic 
Phytoplankton biomass: 
contrasting oligotrophic and 
eutrophic regions)

Высокоширотная биомасса фитопланктона, измеряемая в морях 
Канады, для сравнения с олиготрофными и эвтрофными регионами
Chla
Концентрация хлорофилла-А
DB (Data Base)
БД, ХД — база данных, хранилище данных 
DBMS (Data Base 
Management System)
СУБД — система управления базами данных 
DBS (Database Security)
Система безопасности баз данных 
DDL (Data Definition 
Language)
Язык определения данных 

DML (Data Manipulation 
Language)
Язык манипулирования данными 

DMSS (Decision making 
support system)
СППР (система поддержки принятия решений) 
DO (Dissolved oxygen)
Концентрация растворенного 
в воде кислорода 
DOC (Dioxide carbonate)
Концентрация растворенного 
в воде углекислого газа 
E (Environment)
ОПС — окружающая природная 
среда 

EC (Electric conductivity)
Удельная электропроводность 
EI (Environmental informatics, 
ecological informatics)
Экологическая информатика, экоинформатика, или информатика 
окружающей среды 
EIA (Environmental Impact 
Assessment)
Оценка воздействия на окружающую среду 
EIS (Environmental 
Information System)
Экологическая информационная 
система 
ES (Expert System)
Экспертная система, система 
знаний 
ES (Extreme situation)
ЧС — Чрезвычайная ситуация 
FIR (Finite Impulse Response) Фильтр с конечной импульсной 
характеристикой 
GIS (Geographic Information 
System)
ГИС — Географическая информационная система 
GPS (Global Positioning 
System)
Глобальная система расположения 
IIR (Infinite Impulse 
Response) 
Фильтр с бесконечной импульсной характеристикой 
LIMS (Laboratory Information 
Management System)
Лабораторная информационная 
система и система управления 
MAC (Maximum allowable 
concentration)
ПДК — предельно допустимая 
концентрация 
MIMO (Multiple input 
multiple output)
Много входов, много выходов 

MISO (Multiple input single 
output)
Много входов, один выход 

MLS (Method of Least 
Squares)
Метод наименьших квадратов 

MS (Modelling System)
Система моделирования 
P (Phosphorus)
Фосфор 
QL (Query Language)
Язык запросов 
RD (Relation Database)
Реляционная база данных 
SIMO (Single input multiple 
output)
Один вход, много выходов 

SIS (Satellite information 
system)
Спутниковая информационная 
система 
SM (Suspended matter)
Взвеси 
SOUW (Saving and other 
urgent works)
СиДНР — спасательные и другие 
неотложные работы 
SP (Soluble phosphorus)
Растворимый фосфор
SQL (Structured Query 
Language)
Язык структурирования запросов 

SRP (Saturated concentration 
of Phosphorus)
Концентрация насыщения фосфора 
SSZ (Strategic situational 
zone)
ССЗ — стратегическая ситуационная зона 
TEMP
Температура воды
TW (Water temperature)
Температура воды 
UACCDS (Under abnormal 
condition chemically dangerous 
substance)

АХОВ — аварийно химически 
опасное вещество 

Представление книги

С большим удовольствием представляю вниманию читателей 
книгу «Основы информатизации и математического моделирования экологических систем», авторами которой являются О.Б. Бутусов и В.П. Мешалкин.
Член-корреспондент РАН, профессор В.П. Мешалкин — известный в России и за рубежом крупный специалист в области экоинформатики, математического моделирования экосистем, теории 
разработки и оптимального управления ресурсосберегающими 
высоконадежными химико-технологическими системами, теории 
управления наукоемкими химическими технологиями, логистики 
ресурсосбережения в химической промышленности и стратегии корпоративного управления цепями поставок химических предприятий.
Профессор О.Б. Бутусов — известный в России и за рубежом 
ученый в области математического моделирования экологических 
систем, математического моделирования атмосферного переноса 
промышленного загрязнения в условиях сложного техногенного 
и природного ландшафта, математической экотоксикологии лесных 
экосистем и эколого-экономической оптимизации промышленных 
предприятий.
Представляемая книга написана по результатам трансъевропейского учебно-методического проекта CD-JEP N 26045-2005 программы «TEMPUS» содействия ЕС совершенствованию высшего 
образования в странах бывшего СССР.
Решение важных и актуальных проблем устойчивого экономического развития и обеспечения защиты окружающей среды от загрязнений невозможно без использования методов экологической 
информатики и математического моделирования экологических 
систем. Данные проблемы являются комплексными и многомерными. В идеале их решения следует искать с учетом всей совокупности переменных, характеризующих антропогенное воздействие 
на окружающую природную среду, а также с учетом различных 
используемых критериев качества природной среды. Проблемы 
сбора и обработки экологической информации и математического 
моделирования экологических систем тесно связаны с проблемами 
оценки качества природных систем и экологической целостности, 
экологической устойчивости, инерции, сопротивляемости и податливости экосистем, которые интенсивно изучаются многими научными коллективами.

Необходимо было учебное пособие, в котором основы экологической информатики и методы математического моделирования 
экологических систем, а также последние достижения в этой 
области были бы изложены достаточно широко на высоком научном уровне и в то же время были бы практически реализованы 
в виде конкретных алгоритмов, которые доступны для понимания 
и освоения бакалавриантами, магистрантами и аспирантами. Таким 
учебным пособием, безусловно, является представляемая книга.
Учебное пособие включает такие важные, по моему мнению, 
разделы, как: основы экологической информатики; методология 
информатизации экосистем; математические методы анализа экологических систем; методология разработки различных типов математических моделей экосистем; основы теории, методики и алгоритмы расчета эколого-экономических оценок воздействия на лесные массивы промышленных предприятий; теория обобщенных 
многоатрибутных показателей в виде иерархической системы интегральных индексов для оценки воздействия на лесные массивы 
газовых выбросов металлургических предприятий, а также основы 
методологии применения теории нечетких множеств для решения 
задач эколого-экономической оптимизации промышленных предприятий; принципы разработки архитектуры и программно-информационного обеспечения систем поддержки принятия решений 
по управлению качеством окружающей среды при выбросах химически опасных веществ в атмосферу.
В книге в доступной форме изложены как классические, так 
и современные методы анализа и математического моделирования экологических систем. Важное место занимают разделы, 
посвященные методике разработки систем поддержки принятия 
решений по управлению качеством окружающей среды, ситуационному управлению авариями на промышленных объектах с выбросами опасных химических веществ. Проблема управления качеством окружающей природной среды имеет большое практическое 
значение, а разработка методов ее решения на основе принципов 
эколого-экономической оптимизации промышленных предприятий 
является весьма перспективной.
Для оценки качества экосистем предложена иерархическая 
система интегральных индексов, расчет которых проведен для конкретных лесных экосистем в районе Карабашского медеплавильного комбината и металлургического комбината «Печенганикель». 
Приведены блок-схемы и алгоритмы расчета интегральных индексов, которые могут быть использованы студентами и аспирантами при выполнении научно-исследовательских работ.

Книга может служить учебным пособием для студентов и аспирантов университетов, обучающихся по техническим и технологическим, экологическим, физико-математическим и организационно-управленческим специальностям.
Убежден, что представляемая книга позволит обучающимся 
глубже овладеть новыми знаниями по методам экологической информатики, математического и компьютерного моделирования экосистем.
Думаю, что книга может представлять интерес для специалистов 
в области экологической информатики и математического моделирования экологических систем, научных и инженерно-технических 
работников научно-исследовательских институтов различных 
отраслей промышленности, сотрудников служб МЧС и административных органов по охране окружающей среды, занимающихся 
промышленной экологией, охраной окружающей природной среды, 
оценкой воздействия на окружающую среду сложных техногенных 
систем, разработкой автоматизированных систем мониторинга 
и управления качеством окружающей среды.

Президент Российского химического 
общества им. Д.И. Менделеева,
президент Российского химикотехнологического университета 
им. Д.И. Менделеева,
академик Российской академии наук П.Д. Саркисов

Предисловие

В настоящее время решение проблем охраны окружающей природной среды и управления экологическими процессами, экологоэкономической оптимизации и обеспечения экологической безопасности промышленных производств и предприятий невозможно 
себе представить без широкого использования методов экологической информатики, математического и компьютерного моделирования экосистем. Методы экологической информатики и математического моделирования экологических систем позволяют осуществлять научно обоснованный анализ экоданных, выявлять в этих 
данных скрытые закономерности и использовать полученные результаты для прогнозирования состояния экосистем и принятия 
решений по управлению качеством окружающей природной среды. 
К этому направлению можно отнести также новые математические 
методы разработки математических моделей нелинейных динамических систем и аппроксимации экологических сигналов в виде 
временных рядов.
Разработанные математические модели и методы экологической 
информатики могут быть использованы в дальнейшем для прогнозирования и принятия практических решений в задачах управления 
экосистемами.
Следует также отметить, что классические методы математического моделирования по-прежнему остаются эффективным 
инструмен том в современных научных исследованиях экосистем. 
К ним можно отнести традиционные методы многомерного статистического анализа, такие как регрессионный, корреляционный, 
дисперсионный, кластерный, дискриминационный, факторный 
и другие анализы, а также различные методы качественного, аналитического и численного решения систем дифференциальных уравнений. Эти методы не утратили своей актуальности в настоящее 
время и по праву занимают важное место при подготовке современных инженерных кадров. В предлагаемом учебном пособии 
методы экологической информатики для сбора, математического 
анализа и обработки экоданных и математического моделирования 
экосистем изложены на понятном и доступном для понимания студентов технических университетов уровне.
В книге обобщены результаты научно- и учебно-методических 
разработок, выполненных, начиная с 1990-х гг., коллективом 
ученых Российского химико-технологического университета 

(РХТУ) им. Д.И. Менделеева, Московского государственного университета инженерной экологии, Бранденбургского технического 
университета (г. Коттбус, Германия) и Тульского государственного 
университета совместно с учеными НИИ Российской академии 
наук в области экоинформатики, анализа экологических систем, 
математического моделирования экосистем и математических методов оценки уровней воздействия промышленных предприятий 
на окружающую среду.
Подробно изложена методология комплексного многоатрибутного анализа «доза-эффект»-зависимостей на основе системного 
подхода, аппарата теории нечетких множеств и численных методов 
решения систем дифференциальных уравнений динамики лесных 
экосистем, расположенных в районе промышленного предприятия. 
Описаны основные методы качественного анализа экосистем с помощью фазовых портретов и фазовых траекторий. Показано, что 
в ряде случаев математическое моделирование предсказывает существование в фазовом портрете экосистемы особой точки типа 
«седло», в которую экосистема переходит при малых дозах токсической нагрузки.
В задачах экологического анализа распределенных по территории экосистем важную роль в настоящее время играют методы дистанционного зондирования с помощью аэрокосмических 
снимков. Изложение основных элемен тов этого научного направления также нашло свое место в книге. Задачи использования космических изображений изложены в контексте с задачами дистанционного зонирования территории, т.е. деления территории вокруг 
промышленных предприятий на экологические зоны.
Основные теоретические вопросы подробно поясняются результатами математического моделирования лесных экосистем в районе 
Карабашского медеплавильного комбината на Южном Урале и металлургического комбината «Печенганикель» на Кольском полуострове.
Излагаемый в книге теоретический материал дополняется подробным описанием алгоритмов и архитектуры автоматизированных 
информационных систем поддержки принятия решений по эффективному управлению качеством окружающей среды.
При написании книги в компактной форме отражены основные 
результаты оригинальных научных исследований авторов и их учеников, полученные в рамках выполнения европейских учебно-методических проектов ЕС по программе «TEMPUS», участниками 
которых являлись известные ученые и научные школы Европы: 
Бранденбургский технический университет (г. Коттбус, Германия),