Моделирование природных процессов в решении экологических проблем

Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, экосистемы, биосфера), изучаемые экологией, чрезвычайно сложны. В них возникает большое количество взаимосвязей, сила и постоянство которых непрерывно меняются. Одни и те же внешние воздействия нередко приводят к различным, а иногда и к противоположным результатам. Это зависит от состояния, в котором находилась система в момент воздействия. На действие конкретных факторов предвидеть ответные реакции системы можно только через сложный анализ существующих в ней количественных взаимоотношений и закономерностей. Поэтому широкое распространение в экологии получило моделирование, особенно при изучении и прогнозировании природных процессов.

Термин «модель-» имеет целый ряд смысловых значений:

1) физическое (вещественно-натуральное) или знаковое (математическое, логическое) подобие (обычно упрощенное) реального объекта, явления или процесса; 2) уменьшенное подобие реального объекта; отличают действующую модель и только имитирующую форму чего-то (макет); 3) схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе.

В экологии под моделью довольно часто понимается материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал, и его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале. Модель неизбежно упрощает действительность и в то же время показывает особенно ярко элементы и связи, интересующие ученого.

Моделирование — метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). Основывается на теории подобия (сходства) с объектом-аналогом.

Требования, предъявляемые к моделям. Важнейшие требования к любой модели — ее подобие с моделируемым предметом и наличие следующих свойств:

— модель — это увеличенное (клетка) или уменьшенное (глобус) подобие объекта;

— модель может замедлить быстро протекающие процессы или ускорить медленно протекающие;

— модель упрощает реальный процесс, что дает возможность обратить внимание на главную сущность объекта.

Виды моделей. Модели принято делить на две группы: материальные (предметные) и идеальные (мысленные), рис. 21.3.

Рис. 21.3. Виды моделей

Из материальных моделей наиболее широко распространены в природопользовании физические модели. Например, при создании крупных проектов, таких, как строительство ГЭС, связанных с изменениями окружающей природной среды. Вначале строятся уменьшенные модели устройств и сооружений, на которых исследуются процессы, происходящие при заранее запрограммированных воздействиях.

Во второй половине XX в. среди видов моделей в экологии все большее значение приобретают идеальные: математические, кибернетические, имитационные, графические модели.

Суть математического моделирования заключается в том, что с помощью математических символов строится абстрактное упрощенное подобие изучаемой системы. Далее, меняя значение отдельных параметров, исследуют, как поведет себя данная искусственная система, т. е. как изменится конечный результат.

Математические модели, строящиеся с применением ЭВМ, называют кибернетическими.

Исследования, в которых ЭВМ играет важную роль в самом процессе построения модели и проведения модельных экспериментов, получили название имитационного моделирования, а соответствующие модели — имитационных.

Графические модели представляют блоковые схемы (рис. 21.4) или раскрывают зависимость между процессами в виде таблицы-графика. Графическая модель позволяет конструировать сложные эко- и геосистемы.

Рис. 21.4. Блоковая схема, на которой показаны четыре

основных компонента, учитываемых при моделировании

экологических систем (Ю. Одум, 1986):

Е — движущая сила; Р — свойства; F — потоки; I — взаимодействие

По охвату территории все модели могут быть: локальными, региональными и глобальными.

В построении математических моделей сложных природных процессов выделяются следующие этапы.

1. Реальные явления, которые планируется смоделировать, должны быть тщательно изучены: выявлены главные компоненты и установлены законы, определяющие характер взаимодействия между ними. Если неясно, как связаны между собой реальные объекты, построение адекватной модели невозможно. На данном этапе нужно сформулировать вопросы, на которые ответ должна дать модель. Прежде чем строить математическую модель природного явления, надо иметь гипотезу о его течении.

2. Разрабатывается математическая теория, описывающая изучаемые процессы с необходимой деятельностью. На ее основе строится модель в виде абстрактных взаимодействий. Установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму. Конкретные модели могут быть предоставлены в аналитической форме (системой аналитических уравнений) или в виде логической схемы машинной программы. Модель природного явления есть строгое математическое выражение сформулированной гипотезы.

3. Проверка модели — расчет на основе модели и сличения результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении сведений модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.

По Ю. Одуму (1986), моделирование обычно начинают с построения схемы или графической модели, часто представляющей собой блок-схему (см. рис. 21.4).

На рис. 21.4 буквами Р₁ и Р₂ обозначены два свойства, которые при взаимодействии (I) дают некое третье свойство Р₃ (или влияют на него), когда система получает энергию от источника Е. Обозначены также пять направлений потоков вещества и энергии (F), из которых F₁ — вход, a F₆ — выход для системы как целого. Отсюда, в работающей модели экологической ситуации имеется как минимум четыре ингредиента или компонента: 1) источник энергии или другая внешняя движущая сила; 2) свойства, которые системо-аналитики называют переменными состояний; 3) направления потоков, связывающих свойства между собой и с действующими силами через потоки энергии и вещества; 4) взаимодействия или функции взаимодействий там, где взаимодействуют между собой силы и свойства, изменяя, усиливая или контролируя перемещение веществ и энергии или создавая качественно новые (эмерджен-тные) свойства. Блок-схема на рис. 21.4 может служить моделью лугопастбищной экосистемы, в которой Р₁ — зеленые растения, превращающие солнечную энергию Е в пищу. В этом случае Р₂ обозначает растительноядное животное, поедающее растения, а Р₃ — всеядное животное, которое может питаться как растительноядными, так и растениями. Взаимодействие I может представлять несколько возможностей. Это может быть «случайный» переключатель, если наблюдения в реальном мире показали, что всеядное животное Р₃ питается Р₁ и Р₂ без разбора в зависимости от их доступности. I может также иметь постоянное процентное значение при обнаружении, что рацион Р₂ состоит, к примеру, на 80% из растительной и на 20% из животной пищи, независимо от того, каковы запасы P₁ и Р₂×I может быть и «сезонным» переключателем в том случае, когда Р^ питается растениями в один сезон года и животными — в другой. Наконец, I может быть пороговым переключателем, если Р₃ сильно предпочитает животную пищу и переключается на растения только тогда, когда уровень Р₂ падает ниже определенного порога.

В качестве научной основы природопользования используется модель геосистемы (географической системы). Эта модель применяется в природопользовании для прогнозирования, а также с целью управления природопользованием посредством воздействия на один компонент для получения положительного эффекта от другого.

Природная геосистема рассматривается обычно как сравнительно простая географическая модель, саморегулирующаяся система. Ее целостность поддерживается взаимосвязью природных компонентов. В более сложные модели в качестве нового элемента вводится человек (общество), рис. 21.5.

Рис. 21.5. Модели разных видов геосистем — природной (А),

природно-технической (Б), интегральной (В)

Схематические рисунки и соответствующие им графические модели справа показывают увеличение числа элементов, слагающих каждую геосистему, и связей между ними: 1 — граница интегральной геосистемы; 2 — граница природно-технической геосистемы; 3 — граница природной геосистемы; 4 — природные компоненты, элементы; 5 — технические элементы, подсистемы; 6 — население; 7 — орган управления, принимающий и контролирующий решения; 8 — связи между компонентами, элементами, подсистемами; 9 — связи на входе и выходе систем

Человек способен не только приспосабливаться к природной геосистеме, но и ее преобразовывать. Использование таких моделей является типичным при изучении систем типа «человек — среда». Используя данные модели, можно проследить цепочку: воздействия на природный комплекс ® изменение комплекса ® последствия изменения природы для человеческой деятельности ® изменение деятельности ® изменение ее воздействия на природу и т. д.

В природно-технических системах техника и природа представлены как элементы одной системы (рис. 21.5Б).

Подход, в котором природа и техника рассматриваются как элементы одной системы, несомненно, способен углубить представления о механизме взаимодействия, выявить последствия воздействия техники на природу. Здесь представление о геосистеме как системе самоуправляемой относительно быстро меняется на представление о ней как системе управляемой.

Геосистема, включающая в качестве своих элементов население и орган управления, который принимает и контролирует решения, называется интегральной (рис. 21.5В). Для рационального природопользования это очень важно, так как ставится задача выработки системы мер по сохранению целостности геосистемы.

Date: 2016-11-17; view: 374; Нарушение авторских прав