16-35-60043 мол_а_дк. Геоинформационные модели и методы оценки рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности. 2016-2018 гг.

Грант РФФИ № 16-35-60043 мол_а_дк
«Геоинформационные модели и методы оценки рисков опасных природных  явлений для морехозяйственной деятельности» (N госрегистрации 116011510058) 2016-2018 гг.
Руководитель: Кулыгин В.В.

Научная проблема, на решение которой направлен проект, - разработка научных основ оценки рисков морехозяйственной деятельности в условиях возникновения опасных природных явлений.

Целью проекта является разработка концептуальной модели представления и методов обработки и анализа геоинформации в целях оценки степени совместного воздействия совокупности опасных природных явлений на крупные морехозяйственные комплексы.

Для достижения цели планируется решить следующие задачи:

1. Разработать концепцию геомодельного представления и оценки рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности.

2. Разработать геоинформационную модель интегральной оценки рисков опасных природных явлений для региона морехозяйственной деятельности.

3. Разработать метод расчета влияния совокупности опасных природных явлений на интегральную оценку риска.

4. Разработать методику расчета чувствительности разных районов акватории и береговой зоны к опасным природным явлениям.

5. Создать систему моделей для расчета индикаторов состояния экосистемы Азовского моря.

6. Создать web-ориентированную геоинформационную систему, предназначенную для представления результатов оценки рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности.

7. Выполнить оценку рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности в Азовском море.

Основные результаты работ по проекту

Разработана концепция геомодельного представления и оценки рисков совокупности опасных природных явлений для морехозяйственных систем. Были сформулированы принципы представления геосистемы в виде набора пространственных единиц и правила их идентификации. Оценка последствий от различных опасных явлений предполагает использование трех компонент: природная опасность, подверженность и уязвимость. Показатель опасности характеризует вероятность проявления ОЯ в пространстве и времени. Показатель подверженности описывает количество и ценность объектов, попадающих в зону потенциального воздействия. Показатель уязвимости характеризует тяжесть последствий для подверженных объектов в случае возникновения ОЯ.

Разработана геоинформационная модель интегральной оценки рисков опасных природных явлений для региона морехозяйственной деятельности. Она основана на вероятностном подходе – использовании байесовских сетей. Совместное использование байесовских сетей и геоинформационной системы обеспечивает моделирование многочисленных разнородных факторов, необходимых для анализа рисков ОЯ, их причинно-следственных связей в пространственно-явной форме. В качестве примера построена модель для штормовых нагонных явлений в дельте р.Дон и проведена оценка рисков.

Одним из наиболее актуальных направлений исследований риска ОЯ является одновременное рассмотрение всех опасностей, характерных для конкретного региона, и учет их взаимодействий для обеспечения состоятельной оценки общего риска. В рамках проекта было получено несколько результатов, связанных с этой тематикой. Был разработан метод интегральной оценки риска группы опасных природных явлений. Он базируется на индексном подходе к оценке риска и использовании многокритериальной пространственной оценки.

Для оценки взаимосвязей совокупности опасных явлений, а также степени и характера их взаимовлияния, была разработана методика, основанная на технике DEMATEL. Ее применение позволяет дать ответ на вопрос о целесообразности рассмотрения конкретного типа ОЯ при детальном анализе каскадов опасных явлений, а также выявить значимые связи между парами типов ОЯ. С ее использованием проведена оценка совокупности опасных явлений для береговой зоны Азовского моря.

Был разработан подход, позволяющий оценивать уязвимость объектов, подверженных риску ОЯ. Для характеристики уязвимости используются индикаторные переменные, отражающие информацию относительно восприимчивости и/или устойчивости объекта к влиянию ОЯ. Достоинством разработанного подхода является единообразие процедуры оценки уязвимости объектов к разным ОЯ, возможность учета приоритетов пользователя при ранжировании индикаторов, применимость как для отдельных ОЯ, так и для группы ОЯ.

Возникновение одного ОЯ может спровоцировать цепь последующих опасных событий. Для количественной оценки подобных каскадных эффектов, была разработана модельная конструкция, базирующаяся на использовании байесовских сетей. Она позволяет определять возможные пути распространения каскадных эффектов и рассчитывать их вероятности.

Был разработан подход к учету временных зависимостей между группой опасных явлений, основанный на методе моделирования Монте-Карло. Он позволяет строить последовательности опасных событий, имеющие разные вероятности возникновения, и выполнять оценку потерь, к которым они приводят. Разработанный подход, основанный на вероятностных распределениях, более устойчив, нежели использование фиксированного списка сценариев, определяемого экспертно.

Выполнен анализ апробированных методов и моделей для оценки рисков опасных природных явлений. Сделан выбор инструментов, моделирующих компоненты опасности, подверженности, уязвимости и риска для условий Азовского моря. Модели расчета энергетических характеристик ОЯ были интегрированы в систему прогнозирования ОЯ «EX-MARE», разрабатываемую в ЮНЦ РАН.

Для оценки рисков загрязнения акватории и береговой зоны в случае возможных аварий при транспортировке нефтепродуктов была разработана процедура, основанная на сценарном подходе и математической модели распространения и эволюции нефти в морской среде. Она заключается в подготовке пула сценариев гипотетических аварий, расчете их последствий и последующего построения карт опасности, характеризующих вероятное загрязнение береговой зоны и акватории. Предложенная процедура может быть использована для любых акваторий с интенсивными транспортными перевозками нефтепродуктов. В качестве подверженных объектов могут рассматриваться как объекты в береговой зоне, так и отдельные компоненты морской экосистемы.

Одним из основных продуктов оценки риска ОЯ являются карты. Для решения проблемы организации и отображения информации о группе ОЯ и соответствующих рисках создано картографическое веб-приложение, позволяющее представить весь спектр информации по каждой опасности без потери содержания, в котором пользователь может самостоятельно выбирать конкретную область интересов с требуемым уровнем детализации.

Публикации по теме проекта:

1. Кулыгин В.В. Подход к оценке рисков опасных природных явлений в морехозяйственных системах // Проблемы анализа риска. 2017. Т. 14. № 2. С. 64-73.

2. Кулыгин В.В. Методика оценки взаимовлияния совокупности опасных природных явлений // Геориск. 2017. № 2. С. 30-37.

3. Кулыгин В.В. Геоинформационная модель оценки рисков опасных природных явлений на основе байесовских сетей // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2017. Т. 1. № 2. С. 66-72.

4. Кулыгин В.В. Представление информации о рисках опасных природных явлений // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. 2017. Т. 2. № 2. С. 59-65.

5. Степаньян О.В., Матишов Г.Г., Кулыгин В.В. Устойчивость макроводорослей Баренцева моря к нефтяному загрязнению // Наука Юга России. 2017. Т. 13. № 3. С. 103-108.

6. Berdnikov S.V., Dashkevich L.V., Kulygin V.V., Sheverdyaev I.V., Tretyakova I.A., Yaitskaya N.A. EX-MARE - Forecasting System Of Natural Hazards In The Azov Sea Region // Geography, Environment, Sustainability. 2018. Vol.11. No 2. p. 29-45. DOI: 10.24057/2071-9388-2018-11-2-29-45

7. Кулыгин В.В. Совместное использование байесовских сетей и ГИС для оценки рисков штормовых нагонов в дельте р. Дон // Вестник СГУГиТ. 2018. Т.23. № 2. С. 92-107.

8. Кулыгин В.В. Разработка геоинформационного ресурса рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности // ИнтерКарто/ИнтерГИС. 2018. 24(1): 158–166. DOI: 10.24057/2414-9179-2018-1-24-158-167

9. Кулыгин В.В. Разработка методики расчета уязвимости районов морехозяйственной деятельности к опасным природным явлениям // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. 2018. Выпуск 3. С. 29-34. DOI: 10.23885/2500-123x-2018-2-3-29-34

10. Кулыгин В.В. Разработка системы индикаторов состояния экосистемы Азовского моря для оценки опасных явлений // Экология. Экономика. Информатика. Серия: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. 2018. Выпуск 3. С. 200-204. DOI: 10.23885/2500-395x-2018-1-3-200-204

11. Степаньян О.В., Кулыгин В.В. Влияние разливов нефти на прибрежно-водные и водные растения Азовского моря: модельный эксперимент // Вестник КамчатГТУ. 2018. № 46. с. 114-122. DOI: 10.17217/2079-0333-2018-46-114-122

12. Кулыгин В.В. Геомодельное представление морской эколого-экономической системы в контексте опасных природных явлений // Экология, экономика, информатика. Сборник статей: в 2-х т. Т. 2: Геоинформационные технологии и космический мониторинг. Выпуск 1. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. С. 93-100.

13. Кулыгин В.В. Моделирование ветрового режима в Таганрогском заливе // Экология, экономика, информатика. Сборник статей: в 2-х т. Т. 1: Системный анализ и моделирование экономических и экологических систем. Выпуск 1. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. С. 279-285.

14. Kulygin V.V. Conceptual geoinformation model of natural hazards risk assessment // Geophysical Research Abstracts. 2016. V. 18. P. 7526.

15. Кулыгин В.В. Концепция оценки рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности // Окружающая среда и человек. Современные проблемы генетики, селекции и биотехнологии: материалы международной научной конференции и молодежной научной конференции памяти члена-корреспондента РАН Д.Г.Матишова (г.Ростов-на-Дону, Россия, 5-8 сентября 2016 г.) / [гл. ред. акад. Г.Г. Матишов]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2016. С. 469-472.

16. Kulygin V.V. Interdisciplinary Approach to the Integrated Assessment of Multi-Hazard Risks for Coastal Systems // 14th Annual Meeting AOGS 2017 (6-11 августа 2017 г., Сингапур). https://www.meetmatt-svr3.net/aogs/aogs2017/mars2/pubViewAbs.asp?sMode=poster§ionIdP=7&submit=Browse+Abstracts

17. Кулыгин В.В. Учет пространственного и временного взаимовлияния группы опасных природных явлений // Материалы научных мероприятий, приуроченных к 15-летию Южного научного центра Российской академии наук: Международного научного форума «Достижения академической науки на Юге России»; Международной молодежной научной конференции «Океанология в XXI веке: современные факты, модели, методы и средства» памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова; Всероссийской научной конференции «Аквакультура: мировой опыт и российские разработки» (г. Ростов-на-Дону, 13–16 декабря 2017 г.) / [гл. ред. акад. Г.Г. Матишов]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. с. 122-124.

18. Кулыгин В.В. Оценка уязвимости объектов для опасных природных процессов на основе метода анализа иерархий // Материалы научных мероприятий, приуроченных к 15-летию Южного научного центра Российской академии наук: Международного научного форума «Достижения академической науки на Юге России»; Международной молодежной научной конференции «Океанология в XXI веке: современные факты, модели, методы и средства» памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова; Всероссийской научной конференции «Аквакультура: мировой опыт и российские разработки» (г. Ростов-на-Дону, 13–16 декабря 2017 г.) / [гл. ред. акад. Г.Г. Матишов]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2017. с. 326-329.

19. Кулыгин В.В. Оценка рисков штормовых нагонов в дельте р. Дон // Дельты рек России: закономерности формирования, биоресурсный потенциал, рациональное хозяйствование и прогнозы развития: материалы Международной молодежной научной конференции памяти члена-корреспондента РАН Д.Г. Матишова (г. Ростов-на-Дону, 4–6 сентября 2018 г.) / [гл. ред. акад. Г.Г. Матишов]. – Ростов н/Д: Изд-во ЮНЦ РАН, 2018. С. 45-48.

20. Кулыгин В.В. Разработка информационной системы рисков опасных природных явлений для морехозяйственной деятельности в Азовском море // Сборник тезисов Всероссийской научной конференции «Национальная картографическая конференция — 2018», Москва, Российская государственная библиотека, 16-19 октября 2018 г. - М.: Географический факультет МГУ, 2018. С.162-163. DOI: 10.15356/ncc2018.