УДК 351.773:331.108

 

О. В. Балуєва,

к. держ. упр., доцент,  докторант, Донецький державний університет управління, м. Донецьк

Н. М. Чинкуляк,

к. ф.-м., доцент,  доцент кафедри вищої математики, Донецький державний університет управління  м. Донецьк

 

КЛАСТЕРНИЙ АНАЛІЗ ТЕРИТОРІЙ УКРАЇНИ ЗА ПОКАЗНИКАМИ АНТРОПОГЕННИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА НАВКОЛИШНЄ ПРИРОДНЕ СЕРЕДОВИЩЕ

 

O. V. Balueva,

Candidate of Science on State management, Associate Professor, Associate Professor of Marketing, Donetsk State University of Management

N. M. Chynkulyak,

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Associate Professor Mathematics Donetsk State University of Management

 

CLUSTER ANALYSES OF THE UKRAINIAN TERRITORIES ACCORDING TO THE INDICES OF THE ANTHROPOGENIC LOADS ON THE NATURAL ENVIRONMENT

 

З використанням ієрархічного методу кластерного аналізу (методу Варда (Ward's method) з Евклідовою відстанню у якості міра схожості) здійснено компаративний аналіз (класифікацію) регіонів України за показниками антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище. Визначено основні недоліки і переваги регіонів України на шляху до сталого екологічного розвитку.

 

With the help of the hierarchical method of cluster analyses (Ward’s method with Euclidean distance as similarity measure) the comparative analyses (classification) of the Ukrainian regions according to the indices of the anthropogenic loads on the natural environment is determined. The main advantages and disadvantages of Ukraine on the way to stable ecodevelopment are defined. 

 

Ключові слова: кластер, оцінка, територія, інтегральний показник, антропогенне навантаження.

 

Key words: cluster, estimations, territory, integral index, anthropogenic load.

 

 

Актуальність теми. Становлення ринкових відносин в Україні, інтеграція в європейську спільноту зумовлюють необхідність переосмислення традиційних підходів до механізмів управління природокористуванням, до природоохоронної діяльності і забезпечення необхідного рівня навколишнього середовища. Орієнтація на подолання кризових явищ, інтенсивний перехід до сталого зростання України передбачають проведення адекватної національної політики, яка має бути спрямована і на забезпечення екологічної безпеки.

Сьогодні в умовах значного погіршення екологічної ситуації особливої ваги набувають заходи, які мають бути вжиті для протидії цій небезпеці. Сучасне навколишнє середовище формує життєзабезпеченість населення та являє собою складну систему взаємопов’язаних елементів. Зміни, що виникають при функціонуванні цих елементів, впливають не тільки на стан, але й на систему території в цілому.

Загалом антропогенне та техногенне навантаження на довкілля в Україні в кілька разів перевищує відповідні показники у розвинутих країнах світу.

Сьогодні близько 15% території України з населенням понад 10 млн осіб перебуває у критичному стані. Обсяг викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря у 2010 році становив 146 кг на кожного мешканця, що в кілька разів перевищує такий показник у розвинутих країнах світу [1-3]. 

Аналіз останніх досліджень і публікацій. При розгляді зазначених питань вважаємо за доцільне спиратись на результати досліджень відомих українських вчених: І.О. Александрова, В.І. Андрейцева, В.М. Буркова, О.О. Веклич, Б.М. Данилишина, С.І. Дорогунцова, А.Б. Качинського, М.Х. Корецького, О.Я. Лазора, Ю.П. Лебединського, Л. Г. Мельника, О.М. Теліженка, С.К. Харічкова, М.А. Хвесика, М.К. Шапочки.

В даному контексті заслуговує на увагу робота Т.П. Галушкіної і Л.М. Грановської [4], в якій автори розглядають еколого-збалансовані пріоритети розвитку територій. Основні напрями формування екологічно безпечної макроекономічної політики на регіональному рівні автори пропонують в наступний спосіб:визначення особливостей природно-ресурсного потенціалу та сильних сторін регіону, які формують його відмінності від інших регіонів і виявляють моделі та напрямки розвитку;аналіз стану природно-ресурсного потенціалу та визначення слабких сторін розвитку регіону з метою їх усунення;

розробка стратегічного плану використання, відновлення та охорони природних ресурсів з урахуванням пріоритетних напрямків розвитку регіону; синхронна перебудова інституціонального управління економікою регіону, що передбачає створення нових інститутів, орієнтованих на ринкову економіку, удосконалення нормативно-правової бази у сфері використання, збереження та відтворення природних ресурсів.

Автори роботи [5] наголошують на необхідності формування стратегії інноваційної екологічної політики держави. Основними стратегічними орієнтирами забезпечення гармонізації еколого-економічних відносин на регіональному рівні, на думку авторів, повинні стати: посилення ролі та відповідальності місцевих органів самоуправління у вирішенні екологічних проблем; постійне впровадження та посилення управління інноваційними процесами в сфері безперервного оновлення еколого-економічних знань, вдосконалення екологічно чистих технологій, впровадження стандартів екологічного менеджменту тощо; забезпечення чіткого розмежування повноважень між  центральними та регіональними рівнями і відомствами при посиленні їхньої відповідальності за підвищення рівня інновативності в еколого-економічній сфері та ефективності еколого-економічних реформ.

В цілому, незважаючи на велику кількість ґрунтовних розробок, накопичених вченими, і враховуючи посилення негативних тенденцій екологічної ситуації в регіонах України, залишаються актуальними питання оздоровлення навколишнього середовища людини, а також збереження навколишнього природного середовища, забезпечення екологічної безпеки територій. Проте, для цього необхідно, перш за все, чітке визначення поточної ситуації. Тому метою статті є здійснення кластерного аналізу регіонів України за певними показниками антропогених навантажень.

Виклад основного матеріалу дослідження. Класифікація територій в силу особливостей їх соціо-еколого-економічного розвитку вимагає ідентифікації однотипних груп територій.

Ідея класифікації ґрунтується на поняттях подібності і відмінності. Методологічний принцип класифікації містить два фундаментальних положення: в один клас об’єднуються подібні, схожі між собою одиниці сукупності; ступінь подібності, схожості одиниць, які належать до одного класу, вища, ніж ступінь подібності одиниць, віднесених до різних класів. Оцінювання подібності здійснюється на основі однієї чи декількох ознак. В традиційній схемі класифікації ці ознаки ієрархічно впорядковуються за своєю вагомістю. На кожному кроці поділу сукупності до уваги береться лише одна ознака, тобто відбувається послідовне формування, покрокове уточнення, детальніше описування класів. У великих за обсягом сукупностях можливості використання такої схеми класифікації обмежені [1].

Друга схема класифікації використовує множину класифікаційних ознак одночасно. Будь-яка одиниця сукупності, описана множиною ознак, геометрично інтерпретується як точка у багатовимірному просторі, а близькість двох точок розглядається як подібність їх, однорідність. Існують різні варіанти реалізації багатовимірної схеми класифікації. Їх можна об’єднати в два блоки: конструювання багатовимірних інтегральних оцінок (індексів), на основі яких проводиться класифікація за традиційною схемою; автоматична багатовимірна класифікація методами кластерного аналізу, коли поняття однорідності задається певними метриками (мірами схожості).

Кластер – це група, клас однорідних одиниць сукупності. Основне завдання кластерного аналізу – формування таких груп у багатовимірному просторі. Однорідність сукупності задається правилом обчислення певної метрики, що характеризує ступінь подібності (схожості) -ї та -ї одиниць сукупності. Такою метрикою може бути відстань між ними  або коефіцієнт подібності . Близькі, схожі за вибраними метриками одиниці вважаються належними до одного типу, однорідними. Вибір метрики є вузловим моментом кластерного аналізу, від якого залежить кінцевий варіант поділу сукупності на класи [1].

За способом кластеризації розрізняють ієрархічні та ітераційні (неієрархічні) процедури. Неієрархічні методи являють собою методи дроблення вихідної сукупності. У процесі поділу формуються нові кластери, і так до тих пір, поки не буде виконано правило зупинки. Між собою методи розрізняються вибором початкової точки, правилом формування нових кластерів і правилом зупинки. Найчастіше використовується алгоритм             К-середніх [2]. Відповідно до нього аналітик заздалегідь фіксує кількість кластерів в результуючому розбитті. Останній момент істотно відображається на ефективності роботи алгоритму. Якщо немає підстав штучно задати цю умову, взагалі кажучи, слід використовувати ієрархічні способи кластеризації.

З-поміж ієрархічних способів найбільш відома і вживана агломеративна (об’єднувальна) процедура, суть якої – послідовне об’єднання двох найближчих одиниць сукупності. На першому кроці об’єднання всі одиниці сукупності розглядаються як окремі кластери, відстань між якими визначається вибраною метрикою . Використовують різні метрики відстані : Евклідову відстань, Манхеттенську відстань, відстань Чебишева та ін.

З кожним наступним кроком відбувається об’єднання двох кластерів в один за певним алгоритмом (методом). Існує безліч методів об'єднання кластерів: метод одиничного зв’язку (близького сусіда), метод повного зв’язку (далекого сусіда), метод Варда та ін. 

Так, за алгоритмом одиничного зв’язку (близького сусіда) відстань між двома кластерами визначається відстанню між двома найбільш близькими об'єктами (найближчими сусідами) в різних кластерах. В алгоритмі повного зв’язку (далекого сусіда) відстані між кластерами визначаються найбільшою відстанню між будь-якими двома об'єктами в різних кластерах (тобто "найбільш віддаленими сусідами").

Метод Варда відрізняється від усіх інших методів, оскільки він використовує методи дисперсійного аналізу для оцінки відстаней між кластерами. В якості відстані між кластерами береться приріст суми квадратів відстаней об'єктів до центрів кластерів, що отримується в результаті їх об'єднання. На кожному кроці алгоритму об'єднуються такі два кластери, які призводять до мінімального збільшення цільової функції, тобто внутрішньогрупової суми квадратів. Цей метод направлений на об'єднання близько розташованих кластерів і "прагне" створювати кластери малого розміру [3].

Повна кластеризація  одиниць сукупності відбувається за () кроків.

Основними проблемами при використанні ієрархічних способів кластеризації є: вибір метрики відстані, вибір методу об'єднання кластерів, інтерпретація отриманих результатів (їх змістовність).

Наші дослідження стосовно ієрархічного кластерного аналізу регіонів України за показниками антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище показало, що найбільш ефективним з точку зору змістовності інтерпретації отриманих результатів є використання методу Варда об'єднання кластерів та обрання Евклідової відстані у якості міри схожості (подібності об’єктів). Усі розрахунки проводились в програмному середовищі STATISTICA 10.

Результати кластеризації 25 регіонів України за 9 показниками антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище у період з 2008 р. по 2011 р., стандартизовані за формулою:

 

                                                                               1

 

Значення показників наведені в табл.1 і візуалізовані на рис. 1, результати кластерізації  наведені в табл. 3.

 

Таблиця 1.

Значення показників антропогенного навантаження для регіонів України

 

Продовження таблиці 1.

Продовження таблиці 1

Рис. 1. Візуалізація результатів кластеризації регіонів України за рівнем антропогенних навантажень за період 2008-2011 роки

 

Метод Варда дозволив виявити чотири кластери – чотири групи регіонів за показниками антропогенних навантажень.

Кластер 1 об’єднує регіони з високим рівнем антропогенних навантажень та представляє групу з трьох регіонів: Донецької, Дніпропетровської та Запорізької області. Середнє значення інтегрального показника антропогенних навантажень у період з 2008 р. по 2011 р. для цих регіонів становить від 0,5 до 1.

Кластер 2 включає вісім регіонів, починаючи з Харківської області і закінчуючи АР Крим. Це регіони з середнім рівнем антропогенних навантажень (середнє значення інтегрального показника – від 0,2 до 0,5).

Кластер 3 об’єднує регіони з низьким рівнем антропогенних навантажень та представляє групу з восьми регіонів, починаючи з Черкаської області і закінчуючи Вінницькою (середнє значення інтегрального показника – від 0,1 до 0,2).

Кластер 4 включає шість регіонів, починаючи з Івано-Франківської області і закінчуючи Волинською областю. Це регіони з дуже низьким рівнем антропогенних навантажень (середнє значення інтегрального показника – від 0 до 0,1).

Таблиця 3.

Результати кластеризації регіонів України за рівнем антропогенних навантажень за період 2008-2011 роки

 

До найбільш навантажених регіонів, які мають високий рівень антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище відносяться: Донецька; Дніпропетровська; Запорізька. Ці регіони характеризуються найбільшими значеннями інтегральних показників антропогенних навантажень. Так, Донецька область посідає перше місце за рівнем екологічних навантажень. Всі показники антропогенних навантажень Донецької області мають значення, найвищі по країні. Так, у період з 2008 по 2011 р. для Донецької області простежується зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря пересувними джерелами забруднення, для Дніпропетровської та Запорізької – зменшення скидання забруднених зворотних вод у природні поверхневі водні об’єкти, для Запорізької – зменшення утворення відходів I-III класів небезпеки. Для всіх цих трьох областей характерно поступове зменшення площі земель сільсько-господарського призначення та збільшення площі забудованих земель.

Середній рівень антропогенних навантажень мають: АР Крим, Одеська, Київська, Харківська, Луганська, Полтавська, Херсонська, Львівська області. У період з 2008 по 2011 р. простежується зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря стаціонарними джерелами забруднення для Полтавської області, зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря пересувними джерелами забруднення для АР Крим, збільшення використання свіжої води для Київської та Херсонської областей, зменшення використання свіжої води для Луганської та Львівської областей, зменшення скидання забруднених зворотних вод у природні поверхневі водні об’єкти для Київської, Луганської, Львівської, Полтавської та Харківської областей, збільшення утворення відходів I-III класів небезпеки для Херсонської області, збільшення наявності відходів I-III класів небезпеки для АР Крим, Одеської, Полтавської та Харківської областей, зменшення наявності відходів I-III класів небезпеки для Львівської області. Для більшості всіх цих областей характерно поступове зменшення площі земель сільсько-господарського призначення та збільшення площі забудованих земель.

Низький рівень антропогенних навантажень мають: Миколаївська, Вінницька, Сумська, Чернігівська, Кіровоградська, Черкаська, Житомирська, Хмельницька області. У період з 2008 по 2011 р. простежується зменшення викидів діаксиду вуглецю та забруднюючих речовин в атмосферне повітря стаціонарними джерелами забруднення для Вінницької області, зменшення використання свіжої води для Чернігівської області, зменшення скидання забруднених зворотних вод у природні поверхневі водні об’єкти для Житомирської, Сумської та Хмельницької областей, зменшення утворення відходів I-III класів небезпеки для Вінницької та Миколаївської областей, збільшення наявності відходів I-III класів небезпеки для Житомирської та Хмельницької областей, зменшення наявності відходів I-III класів небезпеки для Миколаївської та Черкаської областей. Для всіх цих областей характерно поступове зменшення площі земель сільсько-господарського призначення, збільшення площі забудованих земель – для Миколаївської, Вінницької та Черкаської областей.

Найнижчий рівень антропогенних навантажень мають: Івано-Франківська, Рівненська, Волинська, Закарпатська, Чернівецька області. У період з 2008 по 2011 р. простежується зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря стаціонарними джерелами забруднення для Закарпатської області, зменшення викидів забруднюючих речовин в атмосферне повітря пересувними джерелами забруднення для Волинської області, збільшення викидів діаксиду вуглецю та забруднюючих речовин в атмосферне повітря пересувними джерелами забруднення для Чернівецької області, зменшення використання свіжої води для Закарпатської області, збільшення використання свіжої води для Чернівецької області, зменшення скидання забруднених зворотних вод у природні поверхневі водні об’єкти для всіх областей даної групи, зменшення утворення відходів I-III класів небезпеки для Волинської та Чернівецької областей, збільшення наявності відходів I-III класів небезпеки для Рівненської області. Для всіх цих областей характерно поступове зменшення площі земель сільсько-господарського призначення та збільшення площі забудованих земель.

За даними таблиці 1 розраховано значення інтегрального показника  антропогенних навантажень для регіонів України у період з 2008 р. по 2011 р., який наведено в табл. 4.

 

Таблиця 4.

Значення інтегрального показника  антропогенних навантажень для регіонів України у період з 2008 р. по 2011 р.

 

У період, що досліджується, зростання екологічних навантажень на навколишнє природне середовище характерно для АР Крим, Херсонської, Черкаської, Чернівецької областей. Зменшення (або незмінність) антропогенних навантажень – для Вінницької, Волинської, Житомирської, Івано-Франківської, Кіровоградської, Львівської, Миколаївської, Тернопільської, Тернопільської, Хмельницької та Чернігівської областей. Для інших областей – колування антропогенних навантажень.

Висновки. Компаративний аналіз регіонів за показниками антропогенних навантажень на навколишнє природне середовище дає можливість для керівників різного рівня державної влади з’ясувати слабкі та сильні сторони сучасної вітчизняної регіональної екологічної політики, а також визначити пріоритетні напрями їх подальшої діяльності в сфері охорони навколишнього середовища. Представлені результати дослідження дають змогу говорити про необхідність диференційованого підходу до екологічного розвитку регіонів та єдиної державної стратегії, яка має бути заснована на концептуальних принципах сталого розвитку і екологізації економіки.

 

Література.

1. Виступ Геннадія Марушевського, представника України, на Другій міжсесійній зустрічі з підготовки до Конференції ООН зі збалансованого (сталого) розвитку (Нью-Йорк, 16 грудня 2011 року) // Екологічний вісник. – 2011. – № 6. – С. 3.

2. Жарова Л.В., Хлобыстов Е.В., Чернова Т.Л. Эколого-экономические основы устойчивого развития производительных сил региона (на примере Автономной Республики  Крым) / Отв. ред. М.Г. Никитина – Симферополь: Издательство «Таврия», 2009. – 192 с.

3. Національна доповідь про стан техногенної та природної безпеки в Україні у 2010 році / МНС України. – Режим доступу: http://www.mns.gov.ua/files/2011/5/17/3_7_2010.pdf

4. Еколого-збалансовані пріоритети розвитку територій: концептуальні засади та організаційний механізм: монографія / Галушкіна Т. П., Грановська Л. М. – Одеса, 2009. – С. 67-71.

5. Стратегічні вектори регіональних трансформаційних зрушень: монографія / Т. П. Галушкіна, В. Є. Реутов, Л. М. Качаровська; за наук.ред. проф. Т. П. Галушкіної. – Сімферополь: ПП «Підприємство Фенікс», 2009. – С.134-135.

6. Єріна А.М. Статистичне моделювання та прогнозування: Навч. посібник. – К.: КНЕУ, 2001. – 170 с.

7. Bradley, P. S. Constrained k-means clustering [Електронний ресурс] / Bradley, P. S., Bennett, K. P. Demiriz, A. // Microsoft Research. MSR-TR-2000-65. 2000. — Redmond, W. A. — Режим доступу до статті.: http://www.litech.org/~wkiri/Papers/wkiri.html.

8. Чубукова І. А. Методи кластерного аналіза. Ієрархічні методи [Електронний ресурс]: (INTUIT.ru: Інтернет-Університет Інформаційних Технологій. Дистанційна освіта. — 2003-2008)/ І. А. Чубукова // Data Mining : (лекція № 13). — 2006. — Режим доступу до лк.: http://www.intuit.ru/department/database/datamining/13/2.html.

 

References.

1. Marushevs'kyjb H, (2011), "Statement by the representative of Ukraineon the second intersessional meeting in preparation for the UN Conference on balanced (sustainable) development (New York, December 16, 2011)", Ekolohichnyj visnyk, vol.6, pp. 3.

2. Zharova, L.V. Hlobystov, E.V. and Chernova, T.L. (2009), Jekologo-jekonomicheskie osnovy ustojchivogo razvitija proizvoditel'nyh sil regiona (na primere Avtonomnoj Respubliki Krym) [Ecological and economic basis for sustainable development of the productive forces in the region (for example, the Autonomous Republic of Crimea)], Izdatel'stvo «Tavrija», Simferopol, Ukraine.

3. MOE of Ukraine (2010), “National Report on the man-made and natural security in Ukraine in 2010”, available at: http://www.mns.gov.ua/files/2011/5/17/3_7_2010.pdf (Accessed 30 December 2013).

4. Halushkina, T.P. and Hranovs'ka, L.M. (2009), Ekoloho-zbalansovani priorytety rozvytku terytorij: kontseptual'ni zasady ta orhanizatsijnyj mekhanizm [Ecological balanced priorities of territorial development: conceptual framework and organizational mechanism], Odessa, Ukraine.

5. Halushkina, T.P. (2009), Stratehichni vektory rehional'nykh transformatsijnykh zrushen' [Strategic vectors of regional transformation changes], PP «Pidpryiemstvo Feniks», Simferopol, Ukraine.

6. Yerina, A.M. (2001), Statystychne modeliuvannia ta prohnozuvannia [Statistical modeling and forecasting], KNEU, Кyiv, Ukraine.

7. Bradley, P. S., Bennett, K. P. and Demiriz, A. (2000), “Constrained k-means clustering”, Microsoft Research. MSR-TR-2000-65 available at:  http://www.litech.org/~wkiri/Papers/wkiri.html. (Accessed 30 December 2013).

8. Chubukova, I. A. (2006), Metody klasternoho analiza. Iierarkhichni metody [Cluster analysis methods. Hierarchical methods], INTUIT, available at: http://www.intuit.ru/department/database/datamining/13/2.html. (Accessed 30 December 2013).

 

Стаття надійшла до редакції 03.12.2013 р.