Гидрометеорология / Лимнология общая / Курс лекций / Гл.14. Вопросы управления лимносистемами

14. Вопросы управления и моделирования лимническими процессами

В последние 50 лет в лимнологии интенсивно развивается математическое моделирование, в основную задачу которого входит не только моделирование, но и управление этими процессами. На более ранних этапах моделирование развивалось в области биотических процессов. Были предприняты попытки создания экологических моделей озер (Дривяты), развития отдельных популяций или экосистемы в целом (Умнов, Меншуткин, др.).

Исключительная сложность взаимодействия большого числа физических, химических и биологических процессов в конкретных географических условиях определяется размером и формой ложа озера, ландшафтно-гидрологическими особенностями его водосбора, климатом и погодными условиями отдельных лет. Это, а также разнообразие антропогенного воздействия на природные процессы вызывает необхо­димость решения экологических проблем путем математического моде­лирования экосистемы водного объекта. Такое моделирование - методо­логическая основа гидроэкологии - недавно возникшего научного направ­ления на стыке гидрологической и биологической наук. Гидроэкология -часть экологии, изучающая водные (аквальные) экосистемы, их структуру и закономерности функционирования, включая взаимодействие абиотических и биотических компонентов.

Гидроэкология успешно развивается в тех отечественных и зарубежных научных центрах, где удалось совместить разработку математических моделей процессов, протекающих в водных объектах, с целенаправленными полевыми исследованиями их гидрометеорологического, гидрохимического, биологического режима и лабораторными экспериментами. Объединение различных направлений в исследованиях поверхностных вод позволяет надежно оценить достоинства и недостатки математических моделей и, исследуя с их помощью взаимодействие факторов и процессов, ставить новые приоритетные задачи комплексных полевых и лабораторных исследований. Решение этих задач способствует, в свою очередь, дальнейшему совершенствованию математических моделей и более глубокому познанию функционирования водных экосистем.

Учитывая плодотворность системного подхода к изучению водных объектов суши, следует считать своевременным введение дисциплины «Лимнологическое моделирование», отсутствующей в ВУЗах, в программу университетской подготовки гидрологов. Появившиеся в последние годы ые монографии в Росии и за рубежом, переводы на русский язык зарубежных обзоров работ в области моделирования процессов, протекающих в озерах и водохранилищах, а также опыт разработки таких моделей на кафедре гидрологии суши географического факультета МГУ уже могут служить достаточной методической базой этой новой дисциплины (Эдельштейн К.К.).

Моделирование в лимнологии предназначается для углубления понимания студентами теоретического и прикладного значения системного анализа физических, физико-химических, химических, биохимических и биологических процессов функционирования водных эко­систем, определяющих качество воды в реках, озерах и водохранилищах, их продуктивность, уязвимость в отношении к внешним воздействиям и способность вод к самоочищению. Это направление должно научить сту­дентов, как рационально применять для решения природоохранных задач теоретические знания и практические навыки отдельных видов расчетов, полевых и лабораторных работ, которые получены ими при изучении дис­циплин «Гидрология», «Гидрофизика», «Гидрохимия», «Гидроэкология», «Теория вероятностей и математическая статистика» и другие дисциплины, которые читаются для студентов гидрологов и метеорологов.

Предмет изучения курса «Лимнологическое моделирование» - принципы разработки математических моделей важнейших процессов, происходящих в водоемах и водотоках суши, способы верификации и использования таких моделей в научных, проектных и управленческих целях.

Задачи моделирования:

- показать возможность углубленного исследования процессов в озерах, водохранилищах, каналах и реках и перспективность решения гидро­экологических проблем методом математического моделирования;

- показать разнообразие отечественных и зарубежных математичес­ких моделей водных экосистем;

- показать на примере нескольких типичных моделей достоинства и недостатки математического моделирования процессов в водных объектах и возможность исправления этих недостатков путем сочетания моделирования с экспериментальными полевыми и лабораторными исследованиями.

Все модели в зависимости от основных принципов по Меншуткину (2004) можно разделить на концептуальные, аналоговые, знаковые, имитационные, дискретные, непрерывные, точечные, линейные, пространственные (рис. 14.1). Моделирование в различных областях привело к развитию общей теории систем. Озерные экоситсемы представляют сложные природные системы. В превую очередь при моделировпании озеро и водосбор рассматриваются как единая природная система. В этом плане в лимнологии накопился большой фактический материал, который может использоваться при моделировании внутриводоемных процессов.

Озеро, или гидроэкосистема – это сложное природное образование, или лимносистема, которую можно расчленить на ряд подсистем, которые могут выступать в качестве объектов для моделирования. В то же время как любая водная система озеро состоит из двух частей: абиотической ( вода, донные отложения, гидрологический режим, гидродинамика и др.) и биотической (бактериальный, растительный и животный мир).

Рис. 14.1. Классификация моделей, применяемых в лимнологии

Наиболее распространенным видом моделирования является математическое. Цель матемтического моделирования – упрощенное воспроизведение объекта или процесса.

Все модели строятся с учетом данных натурных наблюдений на озерах. Путем анализа совокупности первоначальных данных создается первоначально логическая, или вербальная, модель, которая представляет собой описание связей элементов рассматриваемой системы с выделением среди них главных, важнейших связей. Для более углубленного познания этих связей создается конструктивное (физическая модель) или математическое воплощение вербальной модели объекта.

На этих моделях, имитируя разнообразные воздействия на исследуемую систему, изучают изменения экологического состояния водного объекта, т.е. его гидрологический режим (гидрометеорологический, гидрологический, гидрохимический, гидробиологический режим озера, или изменение его характеристик в пространстве и времени. Характеристиками водной среды озера могут быть параметры состояния лимносистемы и показатели процессов, происходящих в ней. К параметрам состояния лимносистемы следует отнести величины, характеризующие морфометрические характеристики озера, физические, химические свойства воды, донных отложений, видовой состав, численность и масса гидробионтов. Таким образом моделирование это не только разработка модели, но и изучение поведения модели при различных вздействиях на лимносистему, и тем самым, познание природных процессов в лимносистеме.

Цели моделирования могут быть разнообразными и их можно разделить на:

Познавательные (гносеологические) –

- проверка положений теории и научных гипотез;

- выявление слабых мест в теории лимнических процессов;

- углубление знаний о структуре и функционировании лимносистем, взаимосвязи ее элементов;

Пркладные (прагматические) –

- прогнозирование поведения лимносистемы;

- выбор стратегии управления поведением системы для оптимального решения задач использования ресурсов озер и их охраны.

Создание и эксплуатация математических моделей стало средством системного анализа лимносистемы (рис. 14.2). В верхней части схемы отражена деятельность специалиста по исследованию реальной лимносистемы путем индуктивной (как правило, статистической) и дедуктивной (теоретической) абстракции. Вербальная модель, объединяющая теоретические концепции с экспериментальными данными, формализуется посредством математических методов в математическую модель, которая заменяет в дальнейшем исследовании реальную экосистему. В нижней половине отражены процедуры отладки модели и изучения по ней процессов в реальной лимносистеме.

Рис. 14.2.Основные этапы системного анализа при математическом моделировании (Страшкраба, Гнаук, 1989)

Вопросы экологического моделирования, включая и моделирование, в лимнологии является наиболее актуальным. С 1975 года выходит журнал «Экологическое моделирование», общий объем которых составил более 200 томов. Создание моделей в области эвтрофирования озер, обусловленного биотическими и абиотическими факторами, представляет собой достаточно сложный процесс. Об этом свидетельствует рисунок 14.3.

Рис. 14.3. Сложность эвтрофикационных моделей, обусловленная гидродинамическими и биологическими процессами (Страшкраба, Гнаук, 1989)

Для получения максимальной эффективности моделирования необходимо выдержать основные этапы или ряд Обязательных процедур (Йоргенсен, 1985), рис. 14.4.

Этап 1. Формулировка задачи в виде вербальной модели и даже математического выражения, представленного в общем виде.

Этап 2. Ограничение задачи по временному масщатабу описываемых изменений прогнозируемой системы, что позволяет обоснованно выбрать необходимую сложность структуры модели и временной шаг проводимых расчетов.

Этап 3. Подбор необходимых данных по всем материалам предшествующих исследований. При недостаточности материалов возникает необходимость возврата к второму этапу и пересмотреть возможность решения задачи при еще большем ограничении, но при более надежными экспериментальными данными.

Рис. 14.4. Этапы создания гидроэкологической модели (Йоргенсен, 1985)

Этап 4. Построение концептуальной модели. Вербальная модель конкретизируется завершается созданием блок-диаграммы математической модели.

Этап 5.Подбор уравнений модели. При отсутствии общепризнаных уравнений в лабораторных или натурных условиях проведение специальных работ по получению требующих зависимостей.

Этап. 6. Верификация модели. Это проверка внутренней логики модели, субъективная оценка модели.

Этап 7. Анализ чувствительности модели. Оценивается точность математического описания каждого из рассматриваемых процессов, включенных в модель компонентов.

Этап 8. Калибровка модели. Она состоит в подборе оптимальных значений эмпирических коэффициентов математических уравнений.

Этап 9. Валидация модели – состоит в количественной, объективной проверке разработанной математической модели на предмет моделирования.

Наибольшую сложность представляет собой валидация «климатических» моделей больших озер, которые описывают многолетние изменения лимносистем под влиянием природных и антропогенных воздействий. Заметное ухудшение качества воды озер с ростом антропогенной нагрузки на озеро проявляется с некоторым запаздыванием. Это объясняется исчерпанием экологической буферной емкости лимносистемы вследствие избыточного накопления органических и биогенных веществ в донных отложениях водоема.

Имеется два противоположных подхода к выбору степени сложности гидроэкологических моделей. По С.Э. Йоргенсену необходимо начинать с модели наименьшей сложности, а затем добавлять новые переменные усложняя модель. Другой позиции придерживаются российские ученые А.А. Воинов и А.П. Тонких, утверждая, что необходимо начинать с возможно более сложной модели, чтобы полностью использовать научную базу данных о моделируемой экосистеме, а затем, упрощать ее путем фиксации мало изменяющихся параметров состояния лимносистемы.

Создание «больших» моделей – труд немногочисленных коллективов высококвалифицированных специалистов гидрологов, гидроэкологов, гидробиологов и математиков. Тесное взаимодействие различных специалистов требует сложных теоретических построений и длительных расчетов на ЭВМ с применением полевых экспериментальных и лабораторных материалов. Стремление к созданию более совершенной модели лимносистемы требует более точной информации, установления более тесной связи между компонентами природы, применения современных вычислительных комплексов таких, как суперкомпьютер «Скифф».

Наиболее распространенные модели в озероведении и лимнологии связаны с балансовыми расчетами. В этой области большое значение имеет оценка внешнего и внутреннего водообмена озера. В различных классах гидроэкологических моделей водообмен представлен по-разному. Наиболее важным является определение водообмена как интегрального показателя, который в разных моделях оценивается по-разному. Балансовый метод применяется в математических моделях водного и теплового балансов.

Озерная система имеет тенденцию к самоочищению, как важное свойство лимносистем саморегулирования. Это способность устойчивого взаимодействия элементов водной экосистеы – главный механизм самоочищения природных вод. Самоочищение природных вод – это совокупность процессов, приводящих к снижению загрязняющих веществ в воде озер. Основные процессы самоочищения природных вод можно отнести к тем основным классам (рис. 14.5). Значимость каждого из этих процессов в самоочищении природных вод сильно изменяется для различных веществ в зависимости от природных условий и гидроэкологических особенностей озера.

Рис. 14.5. Схема процессов самоочищения природных вод (Эдельштейн , 1998)

В соответствии с выделенными классами применяются и модели: модели химических и физико-химичеких процессов самоочищения, модели биохимического окисления органического вещества в природных водах, нелинейные модели самоочищения и т.д.:

Наиболее сложным является моделирование процесса эвтрофирования озер. Эвтрофирование – закономеный процесс развития лимносистем. Первым шагом к моделированию процесса эвтрофирования стала диаграмма Фолленвайдера

Э разработанная им по данным наблюдений за трофическим состоянием озер Европы и Северной Америки. По этой диаграмме можноустановить эмпирическое соотношение между величиной фосфорной нагрузки на единицу площади водоема и его трофическим состоянием или статусом и ориентировочно оценить состояние озер по данным о фосфорной нагрузке и средней их глубине.

Путем применения дискриминантного анализа данных наблюдений разработаны зависимости, позволяющие оценивать вероятность отенесения водоема к тому или другому типу (рис.14.6).

Для оценки трофического состояния озер прменяются также различные числовые индексы, основывающиеся на значениях тех же показателей. Наиболее распространен индекс Карлсона, включающий прозрачность по белому диску, содержание в поверхностном слое озера хлорофилла и концентрацию в воде общего фосфора.

Рис. 1.6. вероятностная классификация озер для определения их трофического статуса (цитируется по Эдельштейну, 1998)

Наиболее сложные полуэмпирические модели эвтрофирования (трансформация органического вещества в озере, модели развития планктонных организмов, фито и зообентоса, отмирания и осаждения фитопланктона и др.), а также общие экологические модели озер.

Моделирование лимнических процессов находится на ранних стадиях и разработанные модели пока не дают практических результатов. Необходимы усилия больших коллективов для разработки реальных моделей, которые бы дали реальный эффект при их использовании.

245