INTEGRATED ASSESSMENT OF THE CONDITION OF URBANIZED AREAS

Full Text

Комплексная оценка состояния урбанизированных территорий представляет собой трудоемкую процедуру из-за наличия большого количества показателей, отражающих различные аспекты развития [1, 2]. Существует множество индексов для оценки развития стран, регионов и городов, экологической безопасности территорий и т. д. Обычно методики расчета интегральных индексов основываются на экспертных методах [3]. Целью данной статьи является комплексная оценка урбанизированных территорий на основе анализа совместных событий наблюдения показателей состояния городской среды. Данное направление в комплексной оценке имеет большое значение, так как дает возможность предложить объективные методы исследования урбанизированных систем многомерной размерности. Существующая методология комплексной оценки При определении индексов городов рассматриваются несколько аспектов (компонентов) их развития, для чего выделяются группы показателей. Например, фирмой Economist Intelligence Unit совместно с корпорацией Siemens разработана экспертная методология комплексной оценки городов. В процессе оценок рассматриваются восемь аспектов развития, для чего выделяются группы показателей: выбросы парниковых газов; потребление энергии; городское хозяйство; транспорт; водопользование; отходы и землепользование; качество воздуха; экологическое управление. Чтобы сравнивать данные, все показатели нормируют по шкале от 0 до 10 в безразмерном виде. Общий индекс построен как количественная сумма всех групп с учетом задания весов [4]. Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 64 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА В урбанистике известны также аналогичные экспертные оценки международных организаций Mercer Human Resource Consulting и Тhe Blacksmith Institute [5]. Подобным образом строятся и другие индексы оценки состояния городов [6-9]. Например, в экологической безопасности городов применяют индекс загрязнения атмосферы, индекс пороговой массы опасных веществ, суммарный индекс опасности отдельных компонентов, загрязняющих ту или иную биогеохимическую среду (водную, воздушную и грунты) и т. д. Индексы для оценки угроз определяются по простым соотношениям: (1) где Ii - индикаторы в виде нормируемых значений показателей;  i - весовые коэффициенты. На основе использования зависимости (1) проводят сравнительный анализ природно-техногенной опасности различных урбанизированных территорий. В нормативно-методическом документе [6] используется комплексный индекс загрязнения атмосферы, интегральный показатель уровня экологической опасности почв города, показатели состояния растительности и орнитофауны на территории города. Суммарная комплексная оценка проводится по зависимости (1) для каждого из перечисленных компонентов с учетом задания весовых коэффициентов. В свою очередь, в методике [7] в области изменения среды обитания и состояния здоровья человека на определенной территории применяют показатели в пяти аспектах состояния территорий и экологической обстановки: медико-демографические критерии состояния здоровья населения; загрязнение воздуха селитебных территорий; загрязнение питьевой воды и водоисточников; загрязнение почв селитебных территорий и радиационное загрязнение. В области оценки изменения природной среды в соответствии с методикой используют показатели в девяти аспектах состояния территорий и экологической обстановки: загрязнение воздушной среды; загрязнение водных объектов, истощение ресурсов вод и деградация водных экосистем; загрязнение и деградация почв; изменение геологической среды; деградация наземных экосистем; растительный мир; животный мир; биогеохимическая оценка территорий. На основе сравнения показателей с критериями оценки экологической обстановки территорий определяется уровень и степень опасности того или иного события или процесса. Похожим образом, но с учетом специфических особенностей экспертных методик, построены другие индексы для оценки загрязнения атмосферного воздуха: КИЗА, AQI, AQHI, CAQI, АТМО, BELATMO, API, Z, Q, HI, H и т. д. [8, 9]. При оценке загрязнения поверхностных вод часто используется индекс загрязнения воды: (2) где Ci - концентрация азота аммонийного, азота нитритного, нефтепродуктов, фенолов, растворенного кислорода, а также БПК5; ПДКi - предельно-допустимые концентрации содержания загрязняющих веществ в воде. Существуют также и другие индексы для оценки загрязнения поверхностных и подземных вод: индекс качества воды; формализованный суммарный показатель химического загрязнения (ПХЗ - 10); интегральный показатель, учитывающий способность загрязняющих веществ накапливаться в донных отложениях (КДА), и др. В свою очередь, при загрязнении почв используется индекс опасности вида (2), при этом оценивается уровень загрязнения почв химическими веществами: кобальтом, марганцем, медью, нитратами, сульфатами, ртутью, свинцом, фосфором, хромом, цинком, пестицидами и т. д. Часто данный индекс называют суммарным показателем химического загрязнения почв (Zc). Как показал анализ используемых методов, в области комплексной оценки существует целый ряд нерешенных проблем: - существующие методы комплексной оценки применяют методологию экспертных подходов и не учитывают закономерности анализируемых систем; - множество интегральных индексов не адаптированы к имеющимся статистическим данным наблюдений; - используемые модели построены «по соглашению», основаны на частных и узких гипотезах и не могут служить фундаментом для формально строгих теорий; - расчетные уравнения для индексов обладают слабой устойчивостью к изменениям данных и отличаются сильной зависимостью показателей. Сегодня для создания адекватных моделей комплексной оценки многомерных систем необходима разработка шкал измерения совокупности значений показателей, которые бы не являлись в своей основе субъективными. Пока в глобалистике, урбанистике и экологии подобных систем количественной оценки не существует. Методика комплексной оценки на основе анализа событий Методика комплексной оценки состояния территорий основывалась на вероятностном анализе совместных событий одновременного наблюдения нескольких показателей, характеризующих объекты [2, 10 - 13]. Вероятности этих событий w оценивались алгоритмически, алгоритмы сортировки, группировки и подсчета частот событий для многомерных случаев, а также скрипты определения их апостериорных вероятностей приведены в работах [1, 2]. Такой подход позволяет построить уравнения состоя- 65 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 И.С. Константинов, А.В. Звягинцева ний объектов в виде эмпирических распределений для совместных событий, которые представляются в виде: (3) где w - вероятность совместного события наблюдения значений показателей p1, p2, ..., pn, оцененная по данным; Pr ob - инверсная функция стандартного нормального распределения; ck - коэффициенты регрессии; s - энтропия состояния объектов; Pko - опорные значения показателей Pk в группе объектов. Если при обработке данных могут быть получены зависимости (3) хорошего качества, то в многомерном пространстве состояний объектов существует уравнение состояния, геометрически представляемое характеристической поверхностью. На каждой такой поверхности могут быть заданы естественные криволинейные координаты. Так как состояния всех объектов будут принадлежать (лежать вблизи) этой поверхности, то можно провести их ранжирование относительно этих координат. Поле направлений, отражающее тенденции в развитии всей группы объектов, будет определяться линиями энтропии (3). Ортогональные им поверхности будут формировать координатные линии в виде потенциала [2, 10-13]: (4) Потенциал является функцией состояния и принят в качестве критерия комплексной оценки состояния объектов. Качество полученных зависимостей определяется по степени соответствия расчетных и опытных данных. Для этого оцениваются значения коэффициентов корреляции, значимость уравнений по критерию Фишера и проводится анализ адекватности моделей по остаткам. Более подробно теоретические положения метода сформулированы в работах [2, 10-13]. Прикладные задачи комплексной оценки урбанизированных территорий Для построения уравнений состояний объектов использована методика оценки вероятностей совместных событий, кратко описанная выше. Пример 1. Оценка опасности загрязнения атмосферного воздуха городов В работе использованы данные наблюдений Росгидромета о загрязнении воздуха в наиболее крупных городах России (35 городов) [14, 15]. Опасность загрязнения оценивалась путем сравнения уровня загрязнения воздуха с действующими санитарно-гигиеническими нормами для четырех наиболее распространенных загрязняющих веществ: пыли, диоксида серы, оксида углерода и диоксида азота. Соответственно были введены показатели загрязнения p1, p2, p3, p4 в виде концентраций этих веществ. В качестве безопасного (опорного) состояния принято состояние условного объекта, показатели загрязнения воздуха для которого равны предельно допустимым концентрациям вредных веществ: для пыли p10= 0,15 мг/м3; для диоксида серы p20= 0,05 мг/м3; для оксида углерода p30= 3,0 мг/м3; для диоксида азота p40= 0,04 мг/м3;. Для городов России получена регрессионная зависимость вероятности совместных событий w от энтропии состояния объектов: Pr ob = - 0,2501+s; (5) Коэффициент корреляции зависимости (5) составил 0,89, результаты обработки данных приведены на рис. 1. Согласно (3) - (4) определены энтропия и потенциал состояния для каждого города России. Результаты ранжирования объектов по данным наблюдений в 2007 г. приведены в табл. 1. Предложенный метод позволяет оценить уровень риска загрязнения воздуха в многомерном пространстве показателей по отношению к объекту, у которого наблюдается безопасный уровень загрязнения атмосферного воздуха, регламентируемый действующими нормами. Установлено, что уровень загрязнения атмосферного воздуха, определенный по методике расчета комплексного индекса загрязнения атмосферы [8], достаточно тесно связан с потенциалом состояния P, рассчитанным по данному методу. К первым пяти крупным городам России, имевшим в 2007 г. самый высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха, относятся: Воронеж, Хабаровск, Иркутск, Новосибирск и Тюмень. Пример 2. Оценка городов по показателям благоустройства Анализ информации о благоустройстве городских территорий основывался на данных Федеральной службы государственной статистики [17] . Информация о состоянии жилищного фонда, зеленых Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 66 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА Рис. 1. Зависимость вероятности w от энтропии состояния s для событий, характеризующих загрязнение атмосферного воздуха крупных городов России Таблица 1 Значения потенциала P и рейтинги крупных городов России, связанные с уровнем загрязнения атмосферы Город Потенциал состояния P Ранг города Город Потенциал состояния P Ранг города Астрахань -9,69 29 Новосибирск -2,52 4 Барнаул -3,61 9 Омск -9,82 31 Владивосток -3,76 11 Оренбург -5,74 16 Волгоград -6,65 20 Пенза -9,78 30 Воронеж 14,05 1 Пермь -9,34 27 Екатеринбург -5,84 17 Ростов-на-Дону -3,50 7 Ижевск -10,32 33 Рязань -8,54 24 Иркутск -1,75 3 Самара -9,56 28 Казань -3,72 10 Санкт-Петербург -4,39 13 Кемерово -8,94 25 Саратов -6,26 18 Киров -10,21 32 Тольятти -7,82 22 Краснодар -3,60 8 Тула -12,09 35 Красноярск -4,84 14 Тюмень -2,79 5 Липецк -9,00 26 Ульяновск -4,87 15 Москва -4,27 12 Уфа -6,27 19 Нижний Новгород -7,13 21 Хабаровск 0,67 2 Новокузнецк -2,83 6 Челябинск -7,83 23 67 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 И.С. Константинов, А.В. Звягинцева зон, благоустройстве улиц и т. д. содержала данные для 79 регионов Российской Федерации. В качестве основных показателей для оценки благоустройства городских территорий были приняты: - относительная площадь жилых помещений, приходящаяся в среднем на одного жителя в городских поселениях, p1; - доля общей площади зеленых массивов и насаждений в общей площади городских земель, p2; - доля замощенных частей улиц в их общей протяженности, p3; - доля освещенных частей улиц в их общей протяженности, p4. С целью проведения комплексной оценки рассматривалось совместное событие наблюдения указанных выше показателей, для которого алгоритмически по имеющимся данным определялась статистическая вероятность событий w. В результате установления связей вероятности данного события w со значениями показателей p1, p2, p3, p4 получены распределения вида (3), характеризующие состояние благоустройства городских территорий: Pr ob = 1,299 + s; s = 2,669ln p1 + 0,757ln p2 + 0,940ln p3 + 0,400ln p4. (6) Коэффициент множественной корреляции зависимости (6) составил 0,92. Для примера результаты обработки данных для 2015 г. приведены на рис. 2. Из рисунка видна общая тенденция благоустройства городских территорий, которая описывается распределениями вида (6). Ранги регионов России по показателям благоустройства городских территорий определены на основе оценки потенциала состояния объектов (табл. 2). Ранги устанавливались по убыванию значения потенциала, рассчитанного согласно зависимости (4) по отношению к максимально наблюдаемым показателям благоустройства территорий: p1 = 33,3 м2/чел.; p2, p3, p4 = 100 %. Как видно из таблицы, к первым пяти регионам, имевшим в 2015 г. самый высокий уровень благоустройства городских территорий, относятся Москва, Санкт-Петербург, Белгородская и Нижегородская области и Республика Татарстан. Таблица 2 Значения показателя Р и ранги регионов России, связанные с уровнем благоустройства городских территорий в 2015 г. Регион Потенциал Р Ранг Регион Потенциал Р Ранг 1 2 3 4 5 6 Белгородская область -1,828 3 Ставропольский край -2,606 14 Брянская область -2,899 28 Республика Башкортостан -2,642 18 Владимирская область -2,606 15 Республика Марий Эл -3,407 50 Воронежская область -3,036 32 Республика Мордовия -3,038 33 Ивановская область -3,507 52 Республика Татарстан -2,216 5 Калужская область -2,317 6 Удмуртская Республика -3,121 35 Костромская область -3,197 38 Чувашская Республика -2,380 9 Курская область -2,395 11 Пермский край -3,566 54 Липецкая область -2,331 8 Кировская область -3,373 49 Московская область -2,611 16 Нижегородская область -2,199 4 Орловская область -2,679 19 Оренбургская область -3,808 62 Рязанская область -3,233 41 Пензенская область -2,877 26 Смоленская область -2,899 29 Самарская область -2,733 21 Тамбовская область -2,861 25 Саратовская область -3,515 53 Тверская область -2,749 22 Ульяновская область -3,266 42 Тульская область -2,475 12 Курганская область -3,672 58 Ярославская область -2,382 10 Свердловская область -3,167 37 Город Москва -1,387 1 Тюменская область -2,626 17 Республика Карелия -2,322 7 Челябинская область -3,314 45 Республика Коми -2,754 23 Республика Алтай -2,819 24 Архангельская область -2,710 20 Республика Бурятия -4,270 75 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 68 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА 1 2 3 4 5 6 Вологодская область -2,885 27 Республика Тыва -3,996 67 Калининградская область -2,476 13 Республика Хакасия -4,033 68 Ленинградская область -3,198 39 Алтайский край -3,969 66 Мурманская область -3,016 30 Забайкальский край -4,684 78 Новгородская область -3,017 31 Красноярский край -3,723 59 Псковская область -3,316 47 Иркутская область -3,829 63 Город Санкт-Петербург -1,480 2 Кемеровская область -4,054 69 Республика Адыгея -3,200 40 Новосибирская область -3,944 65 Республика Калмыкия -3,943 64 Омская область -4,061 70 Краснодарский край -3,156 36 Томская область -3,280 44 Астраханская область -3,054 34 Республика Саха (Якутия) -4,062 71 Волгоградская область -3,736 61 Камчатский край -3,620 56 Ростовская область -3,589 55 Приморский край -4,140 72 Республика Дагестан -3,644 57 Хабаровский край -3,489 51 Республика Ингушетия -4,935 79 Амурская область -4,255 74 Магаданская область -3,731 60 Сахалинская область -3,269 43 Окончание табл. 2 Рис. 2. Зависимость вероятности w от энтропии состояния s для событий, характеризующих благоустройство городских территорий в 2015 г. Пример 3. Оценка стран по экологическим показателям Теперь проиллюстрируем предложенный метод комплексной оценки на примере сравнения стран Европы по экологическим показателям урбанизированных территорий. В качестве показателей для оценки развития стран использовались: суммарные выбросы парниковых газов на душу населения p1, т СО2-экв./чел.; доля охраняемых территорий в общей площади земель p2, %; доля сельскохозяйственных земель в общей площади всех земель p3, %. Для решения задачи воспользуемся базами данных [17]. Оценка осуществлялась относительно средних значений показателей по отношению к условно принятой опорной точке. В качестве опорного значения показателя выбросов парниковых газов на душу населения p1 принято его среднее значение по странам Европы, равное p10 = 8,8 т СО2-экв./чел. Аналогичным 69 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 И.С. Константинов, А.В. Звягинцева образом принято опорное значение по охраняемым территориям p20 = 10,9 % и доля сельскохозяйственных земель в общей площади p30 = 48,8 %. В результате вычислений для вероятностей событий получена регрессионная зависимость следующего вида: (7) Коэффициент корреляции зависимости (7) составил 0,91, результаты обработки данных приведены на рис. 3. Ранги стран по экологическому состоянию устанавливались по возрастанию степени воздействия стран на окружающую природную среду (табл. 3). Таким образом, с учетом вероятностного анализа совместных событий, связанных с наблюдением трех- четырех основных показателей, можно проводить взаимное сравнение по определенным аспектам различных урбанизированных территорий. При этом важным является то, что принятые показатели могут быть разной природы, так как в итоге рассматриваются события наблюдения этих показателей. Таблица 3 Значения потенциала P и ранги стран Европы относительно средних значений экологических показателей Страна Потенциал P Ранг Страна Потенциал P Ранг Лихтенштейн 25,15 1 Украина -0,80 27 Люксембург 22,64 2 Туркменистан -0,99 28 Эстония 18,23 3 Латвия -1,01 29 Германия 15,28 4 Словения -1,17 30 Австрия 12,29 5 Исландия -1,24 31 Польша 11,34 6 Литва -1,41 32 Швейцария 10,88 7 Кипр -1,52 33 Словакия 8,79 8 Румыния -1,68 34 Монако 6,24 9 Швеция -2,01 35 Чехия 6,09 10 Беларусь -2,11 36 Великобритания 5,89 11 Португалия -2,21 37 Нидерланды 4,62 12 Азербайджан -2,26 38 Ирландия 4,23 13 Хорватия -2,30 39 Финляндия 2,65 14 Македония -2,32 40 Дания 2,07 15 Армения -2,36 41 Россия 1,90 16 Молдова -2,37 42 Казахстан 1,60 17 Узбекистан -2,44 43 Бельгия 1,51 18 Мальта -2,91 44 Италия 1,38 19 Андорра -3,02 45 Греция 0,97 20 Турция -3,22 46 Таджикистан 0,88 21 Сербия и Черногория -3,26 47 Франция 0,81 22 Кыргызстан -3,56 48 Испания 0,04 23 Грузия -4,01 49 Венгрия -0,20 24 Албания -4,01 50 Болгария -0,56 25 Босния и Герцеговина -4,25 51 Норвегия -0,77 26 Сан-Марино -5,01 52 Градостроительство и архитектура | 2018 | Т. 8, № 1 70 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА Выводы. Полученные результаты позволяют предложить метод комплексной оценки урбанизированных территорий на основе нахождения эмпирических распределений вероятностей совместных событий. Это позволяет ранжировать города и урбанизированные территории в многомерном пространстве показателей по отношению ко всей группе изучаемых объектов. Особенностью данного метода является применение алгоритмического подхода при определении вероятностей и отказ от использования экспертных методов и зависимостей. В отличие от традиционных методов, оценка основывается на учете статистических закономерностей, характерных для группы объектов в многомерных пространствах показателей.

About the authors

Igor S. KONSTANTINOV

Belgorod State National Research University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Anna V. ZVYAGINTSEVA

Belgorod State National Research University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files