Размещено на http://www.allbest.ru/

Вирішення екологічних проблем озера Світязь шляхом моделювання

Пилиповець Г.М.

Анотації

Аналізуються екологічні проблеми та застосування кібернетичного підходу для моделювання екосистеми озера Світязь.

Influence of anthropogenic factors for ecological system of the lake "Svityaz" is analyzed.

Як відомо, спрощеними версіями реального світу є моделі. Модель - це абстрактний опис певного явища реального світу, на основі якого можна зробити передбачення відносно цього явища. Найпростішими моделями є вербальні (словесні) та графічні (неформалізовані). Для отримання кількісних прогнозів слід користуватися математичними (формалізованими) моделями.

Моделювання часто починається із графічної моделі, де зображені основні компоненти моделі. При моделюванні екологічних ситуацій враховують як мінімум чотири компоненти: джерело енергії або інша зовнішня рушійна сила; властивості, які характеризують змінними стану; напрям потоків енергії і речовин, які зв'язують властивості між собою та з діючими силами; взаємодії або функції взаємодій там, де взаємодіють між собою сили і властивості, змінюючи, підсилюючи або контролюючи переміщення речовин і енергії або створюючи емергентні властивості.

Живі організми (біотична спільнота) і неживе (абіотичне) оточення нерозривно зв'язані, знаходяться в постійній взаємодії і утворюють екосистему. Екосистемі відповідає біогеоценоз. Біогеоценоз складається з біотопа (атмосфера, гідросфера і грунти) та біоценозу (рослини, тварини, мікроорганізми). Потік енергії створює чітко визначені біотичні структури і кругообіг речовин між живою і неживою частинами. Екосистеми є відкритими системами, тому важливими складовими частинами є середовища на вході і виході.

На першому етапі моделювання екосистеми Світязь, створюється блокова модель. Блокова модель екосистеми Світязь включає три головних компоненти: спільноти, потік енергії, кругообіг речовин. Основним джерелом енергії є Сонце. Потік енергії спрямований в одну сторону; частина сонячної енергії перетворюється спільнотою, переходить на більш високу ступінь, трансформується в органічну речовину і є більш концентрованою формою, ніж сонячне світло. Більша частина енергії деградує, проходить через систему і покидає її у вигляді низькоякісної теплової енергії. На відміну від енергії біогенні елементи, необхідні для життя (вуглець, азот, фосфор та ін.), здійснюють кругообіг. До основних складових системи належать автотрофи (зелені рослини, які здатні перетворювати сонячну енергію в органічні речовини), та гетеротрофи (організми, які потребують готової їжі).

Екосистема є відкритою системою. Тому, крім внутрішньої структури екосистеми, важливим є наявність зовнішнього середовища. Часто зручними границями між екосистемою та зовнішнім середовищем є природні границі (наприклад, берег озера). Масштаби змін середовища на вході і виході залежать від кількох факторів: розмірів системи (чим вона більша, тим менше залежить від зовнішньої частини); інтенсивності обміну; збалансованості автотрофних і гетеротрофних процесів (чим сильніше порушена рівновага, тим більшим повинен бути притік ззовні для її відновлення); стадії розвитку системи (молоді системи відрізняються від зрілих).

З функціональної точки зору екосистеми аналізують в наступних напрямах: 1) потоки енергії; 2) ланки харчування; 3) структура просторово-часової різноманітності; 4) біогеохімічні кругообіги; 5) розвиток і еволюція; 6) керування. Дані вимірювань параметрів реальної екосистеми дозволяють отримати миттєву картину стану водойми, що не достатньо для глибокого розуміння динаміки процесів, які відбуваються в ній. Експериментування з екосистемами - складна задача. Тому моделювання - найбільш діючий засіб для дослідження екосистем.

Головна проблема, яку доводиться вирішувати при аналізі складної системи - вибір змінних стану. Найбільшого розвитку набув підхід, коли в якості змінних приймають чисельність осіб різних видів і на цій основі розробляють динамічну теорію. Вперше такий підхід використав Вольтерра (1926). Лотка (1925), крім чисельності осіб різних видів, розглядав в якості змінних енергію на різних трофічних рівнях, а також розподіл хімічних речовин. Ще один можливий підхід полягає в тому, що в якості змінних беруть частоти генів в межах виду.

Найпростіші моделі евтрофікації описують взаємозв'язок між фосфатами, водорослями і зоопланктоном у вигляді системи трьох нелінійних диференціальних рівнянь із змінною структурою. В залежності від морфометричних та гідрологічних параметрів прісноводної екосистеми будуються одношарові (епілімніон), двошарові (епілімніон та гіполімніон), трьохшарові (епілімніон, гіполімніон, відклади) та багатошарові моделі прісноводної екосистеми.

Рівняння фосфатного балансу складаються з додатніх членів, які описують поступлення фосфату, виведення фосфату з живих і мертвих водоростей, зоопланктону, і від'ємних членів, які описують поглинання фосфату водоростями, його винос за границі системи.

Рівняння для фітопланктону враховують залежність швидкості росту від інтенсивності світла, концентрації фосфату, причому залежність швидкості росту від температури переважно носить експоненціальний характер. Враховується також залежність фотосинтезу від глибини. Водорості покидають систему в результаті їх виносу течією води або відкладу. екологічний озеро моделювання

Водорості поглинаються зоопланктоном, швидкість поглинання залежить від інтенсивності виїдання, кількості зоопланктону і водоростей. Доля водоростей, які використовуються для росту зоопланктону, знижується при збільшенні їх концентрації. Смертність зоопланктону розглядається як постійний фактор, характерний для популяції.

Двошарова і тришарова моделі ідентичні. Подібність їх в тому, що в них моделюються тільки три змінні - фосфат, фітопланктон і зоопланктон. В багатошарових моделях значно більше зворотніх зв'язків: існує залежність фотосинтезу від густини, внаслідок чого знижується інтенсивність фотосинтезу в результаті зростання концентрації біомаси, самозатінення водорослей, зростання зворотнього притоку фосфату, який поступає від живого і мертвого фітопланктону і зоопланктону. В тришаровій моделі враховуються процеси вивільнення фосфору з донних відкладів. В двошаровій і тришаровій моделях припускається, що гіполімніон характеризується відсутністю світла, низькою температурою, підвищеною швидкістю відкладу водорослей, відсутністю росту зоопланктону. Фосфатний обмін між гіполімніоном і донними відкладами носить постійний характер. В найпростіших моделях різниця в концентрації розчиненого кисню не враховується.

Вибір моделі визначається морфометрією, а також рядом інших умов. Так під час циркуляційного періоду (листопад - кінець березня) відбувається процес інтенсивного перемішування між епілімніоном та гіполімніоном, в результаті чого водойму можна розглядати як один суцільний "епілімніон".

Метою кібернетичної екології є пояснити поведінку екосистеми Світязь за допомогою внутрішніх природних керуючих механізмів. Крім того, отримані при цьому знання використовуються для практичного керування екосистемою Світязь.

До кібернетичних систем відносять системи, які піддаються управлінню, тобто цілеспрямованій дії. Кібернетичний метод припускає підхід до екоститеми, що самооптимізується. Застосування системного аналізу до такого класу систем, дозволяє розробити алгоритми і механізм управління і прогнозування іх стану.

Через віддаленість від промислових центрів, транспортних магістралей до певного часу (~ 70-і роки) озеро Світязь не відчувало серйозного антропогенного впливу і відрізнялось від інших водоймищ України відносним екологічним благополуччям. Підвищення інтенсивності природокористування, зміна його структури (меліоративне будівництво) та ряд інших факторів (Хотиславський кар'єр) призводять до трансформації компонент екосистеми, озера. Це проявляється у зміні гідрологічних, гідрохімічних та інших параметрів озерного комплексу. На даний час можна виділити декілька суттєвих проблем негативного плану, які стосуються екології Світязя:

Природна система озера Світязь є самопідтримуючою та саморегулюючою системою. Відмітимо, що дослівний переклад "Sustainable Deveelopment" означає "розвиток, що самопідтримується".

Ідея внутрішнього керування базується на еволюційних принципах - внутрішнє керування забезпечує виживання біологічної системи. Оптимізація всіх природних процесів спрямована на досягнення цієї мети при обмеженнях, які викликані конкретними фізичними умовами. Підходи до визначення цілі можуть бути різними. Флейшманом розроблена методологія експериментального визначення цільової функції на основі порівняння моделі з реальністю.

Застосування принципів оптимальності до екосистеми в цілому утруднене у зв'язку з неможливістю існування однієї спільної цілі в складових (підсистемах) гетерогенної екосистеми. Дану проблему можна вирішити, використовуючи принципи побудови ієрархічних систем.

Розглянемо найпростішу схему екосистеми Світязь з типовою трофічною ієрархією, яка описується трьома змінними стану (фосфор, фітопланктон, зоопланктон) і має дві вхідні змінні.

Рис.1. Структурна схема екосистеми Світязь

Основний потік речовин і енергії рухається в напрямі: ( - "жертва" для , - "жертва" для ). Рівняння моделі представляється у вигляді:

 (1)

Тут - лімітуюча поживна речовина (фосфор), - водорослі (фітопланктон), - зоопланктон; - швидкість потоку води (постійна);

-

температура; - концентрація поживних речовин, які поступають, - максимальна швидкість росту водорослей; - постійна напівнасичення для водорослей; - інтенсивність дихання і ремінералізації для водорослей; - швидкість виїдання зоопланктону; - коефіцієнт смертності зоопланктону.

Рівняння (9.1) належать до класу рівнянь, в яких структура є незмінною, а параметри системи - фіксовані. В дійсності при зміні умов усередині системи можуть появлятися різні біологічні види, структура популяцій видів не є постійною, а коефіцієнти є змінними.

Антропогенне керування екосистемою оцінюється цільовим функціоналом . Проблему керування можна сформулювати наступним чином (рис.2): підібрати можливі види керування (наприклад, зниження концентрації фосфору, який поступає, збільшення глибини перемішування та ін.) так, щоб цільовий функціонал , який може відображати витрати, зв'язані з керуванням, підлягав мінімізації. Кібернетична модель екосистеми Світязь повинна відображати комплекс досліджень, які стосуються певної проблеми. Структура моделі буде багаторівневою і модульною. Багатоманітність процесів різної природи, що чинять вплив на окремі компоненти та екосистему в цілому, а також параметрів компонент екосистеми, перший етап якого полягає у формуванні кібернетичної моделі Світязь. Це свідчить про необхідність більш повного комплексного моніторингу всіх складових компонентів екосистеми. Оскільки на даний час, антропогенне навантаження на екосистему озера Світязь є досить значним і впливовим. Антропогенні чинники сильно впливають на складові екосистеми і в цілому на стан екосистеми Світязь. Проведення комплексного моніторингу всіх складових екосистеми дасть можливість контролювати, аналізувати, прогнозувати, багатоманітні процеси які відбуваються в екосистемі, а також впливати на стан складових екосистеми і в цілому на саму екосистему.

Рис. 2. Процедура керування

Конкретний приклад евтрофікаційного керування прісноводною екосистемою відображається рівняннями:

(2)

де - зміна витрат води шляхом керування; - зменшення поступлення поживних речовин шляхом очистки води; - зміна швидкості виїдання зоопланктону під дією керування; обмеження типу відповідає необхідності підтримання екологічних стандартів ; - ціна одиниці виміру керуючої дії. В рівняннях (1.5) фігурують три керуючі змінні. Дві змінні мають природу, близьку до класичної, а третя - зв'язана з проблемою біоманіпуляції. Оцінку різних альтернативних керувань можна здійснювати шляхом порівняння різних видів витрат.

Слід зазначити, що цілі керування можуть бути досягнуті тільки тоді, коли здійснюється одночасна реалізація цілей природних підсистем. Наявність внутрішніх цілей свідчить про те, що природа не споглядає пасивно на наші дії, а реагує на них, викликаючи зміни всередині системи. Реалізація керування вимагає досить тривалого часу.

Як бачимо, oптимальним підходом до моделювання лімносистеми Світязь з метою розробки керування нею є кібернетичний підхід. Моделі вищезгаданого типу дозволяють виявляти зв'язки і прослідковувати взаємозалежності між усіма компонентами лімносистеми, включаючи найдрібніші, визначати закономірності їх розвитку, з метою прогнозу можливих змін та прийняття відповідних рішень для покращення екологічної ситуації екосистеми озера Світязь.

Література

1. Національні парки в системі екологічного моніторингу-Світязь, 1993-С.27-29.

2.Одум Ю. Екологія В 2-х томах Пер. С анг.изд.-Мир, 1957-328с.

3. Природа Альманах- Шацьк- 1-8 1988.

4. Тарасов А.О. Екологія і охорона природи.1990-248с. Наукові дослідження 1983-1993. Збірник статей.-Світязь,1994-С.194-209. 5. Дж. Джефферс. Введення в системний аналіз. Мир,1981.

Размещено на Allbest.ru