Ббк я 19-6 [Жданов] ж 42


Основные результаты работы имитационной модели



жүктеу 5.04 Mb.
бет25/25
Дата03.04.2019
өлшемі5.04 Mb.
түріКнига
1   ...   17   18   19   20   21   22   23   24   25


Основные результаты работы имитационной модели
Многочисленные расчеты на ИС позволили сделать ряд выводов естественнонаучного плана, касающихся жизнедеятельности экосистемы Азовского моря, а также установить общие количественные закономерности функционирования морских экологических систем.

Системный подход привел к представлению об экосистеме моря как об объекте управления и регулирования. При этом получили свое количественное воплощение идеи В.И. Вернадского о единстве и взаимообусловленности процессов в биосфере.

Для формулировки выводов удобно воспользоваться некоторыми терминами теории регулирования и управления. В дальнейшем будем называть параметрами регулирования те параметры экосистемы, которые характеризуют состояние наиболее важных ее компонент. К ним принадлежат неконтролируемые

389


параметры настройки, а также контролируемые параметры управления, к которым относятся: объемы и качество речных стоков, параметры регулирования водообмена через Керченский пролив, объемы уловов и выпуска молоди рыбоводными заводами. Процесс целенаправленного изменения параметров управления ниже будем называть управлением.

Перейдем теперь к формулировке основных выводов. Экосистема Азовского моря есть система саморегулирования, в которой каждому режиму изменения параметров настройки соответствует вполне определенный режим функционирования.

При изменении параметров настройки, не превосходящих некоторые пределы, почти для всех режимов экосистемы возникают «силы», стремящиеся воспрепятствовать этому изменению и вернуть систему в первоначальное состояние. Эти силы имеют гидрологическое (механическое), гидрохимическое, биологическое происхождение. На основе ИС может быть произведена их оцифровка. Таким образом, для экосистемы Азовского моря выполняется прин­цип, который естественно назвать обобщенным принципом Ле Шателье-Брауна. Характерным для систем, подчиняющихся обобщенному принципу Ле Шателье-Брауна, является наличие исключительных (неустойчивых) ситуаций и ограничений на величину допустимых возмущений параметров настройки. Принцип Ле Шателье-Брауна ранее формулировался применительно к объектам неживой природы и к отдельным организмам. Существо процессов, выявленных при анализе жизнедеятельности отдельных элементов и всей экосистемы, позволило сформулировать обобщенный принцип Ле Шателье-Брауна применительно ко всей экосистеме в целом. Здесь этот принцип выступает в роли общего, определяющего эволюцию таких систем.

При переводе параметров настройки с одного режима изменения на другой новый установившийся режим в системе отрабатывается не сразу, а в результате некоторых переходных процессов. Новый установившийся режим не будет отличаться качественно, если изменения параметров не превосходят некоторых критических значений. ИС позволяет определить эти критические значения и другие характеристики переходных процессов.

Если постоянно действующие возмущения параметров

390


настройки достаточно велики и превосходят указанные критические значения, то происходит «срыв» экосистемы, выражающийся в ее переходе в качественно новый режим функционирования. Качественно новый режим характеризуется появлением или исчезновением некоторых представителей экосистемы. Модель позволяет рассчитать динамику появления или исчезновения этих видов. Так, определен объем стока, при котором наступает «срыв» системы, наблюдается резкое сокращение биомассы пирофитовых и нарастание биомассы зеленых водорослей. Происходит резкая перестройка системы.

При кратковременных (импульсивных) изменениях параметров настройки (при внезапных выбросах загрязнения, резких изменениях стока, заморах и т.д.) система по истечении некоторого времени приходит в первоначальное состояние, если эти выбросы параметров настройки не превосходят критические значения, которые установлены расчетами на модели. Этот принцип можно назвать принципом «затухания памяти». Экосистема через некоторое время «забывает» локализованные по времени воздействия, не превосходящие критических.

Если кратковременные изменения параметров настройки достаточно велики и превосходят критические значения, то они «перебрасывают» экосистему в некоторый качественно новый режим. Модель позволяет рассчитать критические значения выбросов и новые режимы.

Все переходные процессы в системе (переход на новый режим при постоянно действующих возмущениях или возвращение к исходному режиму при импульсных возмущениях) происходят, как уже указывалось, за некоторое время Т. Так, с помощью ИС определены значения Т для ряда характерных переходных процессов по параметру солености. Анализ полученных результатов приводит к выводу, что рассоление моря происходит быстрее, чем засоление (в среднем на 1–3 года).

Для регулирования рыбных сообществ характерна малая инерция и большие значения восстанавливающих сил, вследствие чего им свойственны колебательные переходные процессы. Для регулирования косных компонент (по терминологии В.И. Вернадского) характерна большая инерция и сравнительно малые восстанавливающие силы. Вследствие этого им свойственны апериодические процессы регулирования. По модели

391


рассчитаны соответствующие периоды и декременты колебаний.

С помощью ИС установлен закон критического стока. При стоке, превышающем критический, за счет регулирования водообмена через Керченский пролив можно добиться установления любого значения средней солености в Азовском море в диапазоне 1,5% < S < 17% (от минерализации речного стока до солености Черного моря), верхняя граница которого соответствует соленос­ти Черного моря в предпроливной зоне, а нижняя граница –минерализации речного стока. При стоке, меньшем критического, устанавливается средняя соленость, превосходящая черноморскую. Таким образом, в этом случае при любом регулировании водообмена через Керченский пролив невозможно предотвратить засоление Азовского моря до уровня, превышающего соленость Черного моря. Расчеты на модели показали, что величина критического стока равна 20 км3.

Система обладает критическими режимами функционирования, на которых резко возрастает чувствительность к внешним воздействиям, при этом значительно замедляются все переходные процессы. Для таких режимов возможно нарушение принципа Ле Шателье-Брауна.

Имеется оптимальный диапазон солености, при котором процессы распада и превращения загрязняющих веществ, характерные для Азовского моря, идут наиболее интенсивно. Этот диапазон, как показали расчеты на модели, соответствует соленостям от 10 до 11%. По-видимому, при этих соленостях имеются самые благоприятные условия для жизнедеятельности тех микроорганизмов, которые наиболее активно участвуют в процессах самоочищения.

Сформулирован принцип затухания по пространственным координатам. Он заключается в том, что возмущение экосистемы в некотором ее районе оказывает убывающее воздействие по мере удаления от места возмущения. Сам по себе принцип затухания достаточно ясен, однако расчеты по модели позволили установить количественные характеристики затухания возмущения, их зависимость от состояния экосистемы. В частности, установлено, что скорость затухания резко падает при приближении к критическим режимам.

Как уже отмечалось выше, блочная структура ИС позволила

392

осуществлять внедрение остальных блоков по мере их завершения. Так, одним из первых был введен в действие и внедрен блок ДИНАМИКА ВОД, в котором отрабатывается прогноз солености. Модель дает прогноз солености по каждому из семи районов Азовского моря с пятидневным шагом. Фактор солености определяет местопребывание и распределение по акватории Азовского моря рыбных популяций, что весьма важно для эффективной организации промысла. В настоящее время результаты расчетов по модели используются при планировании промысла по Азовскому морю.



Сразу же после завершения в 1976 г. был внедрен блок ХАМСА, в котором рассчитывается динамика запасов и распределение по акватории Азовского моря популяции хамсы. Начиная с 1976 г. ежегодно по модели предсказываются сроки осенней миграции хамсы из Азовского моря в Черное, на основе чего устанавливаются оптимальные сроки промысла хамсы в Керченском проливе и прилегающей к нему зоне. Ошибка прогноза значительно меньше ошибок, характерных для прежних методик прогноза. Аналогичные внедрения имеются и по другим блокам: рыбные популяции, биогены и т.д. Таким образом, модель позволила осуществить оперативное прогнозирование всех основных компонент экосистемы Азовского моря.

По проведенным экономическим оценкам эффект использования модели только для оперативного прогнозирования дает не менее 250 000 руб. годовой экономии5*.

Модель получила приложения при анализе наиболее крупных водохозяйственных проектов – переброски части стока рек из смежных бассейнов и регулирования водообмена между Азовским и Черным морями с помощью специализированного гидроузла в Керченском проливе. Указанные проекты являются выдающимися достижениями отечественной гидротехники и тщательно проработаны с инженерной точки зрения. Однако, поскольку по масштабам они не имеют прецедентов в практике природопользования, требуется особо детальный анализ их воздействия на окружающую среду. Большое значение имеет выбор наиболее рационального варианта управления водной системой бассейна.

393


С помощью модели был произведен детальный анализ различных вариантов реализации указанных проектов. При этом прогноз осуществлялся для всех 120 моделируемых компонент экосистемы. Было рассчитано более 100 стратегий, которые включали варианты:

– возрастающего изъятия стока, не сопровождающегося какими-либо компенсационными мероприятиями;

– переброски стока в объемах от 5 до 15 км3;

– регулирование водообмена через Керченский пролив;

– одновременное осуществление двух последних мероприятий.

Приведем некоторые наиболее существенные выводы, полученные на основе анализа расчетных данных. В первую очередь отметим, что в условиях некомпенсируемых отъемов стока произойдет радикальная перестройка физико-химических и биологических систем моря. Его соленость достигнет 15%, содержание биогенных элементов, кормовая база (фито-, зоопланктон, бентос) и общая рыбопродуктивность составят соответственно лишь около 70, 45 и 30% от их значений, характерных для периода естественного режима стока. Снижение стока ниже критического может привести к необратимым катастрофическим изменениям в экосистеме.

Переброска дополнительного стока обеспечивает перевод экосистемы Азовского моря на более высокий уровень продуктивности. На основе модели произведен расчет динамики экосистемы Азовского моря при различных дотациях стока и свободном водообмене через Керченский пролив. Рассматривались объемы переброски AQ = 5 км3, 10 км3, 15 км3 при нынешнем стоке Q = 28 км3.

В табл. 2 приведены значения средних установившихся соленостей и время их установления.

Таблица 2

Установившиеся солености S (%) и время установления

Т (годы) при стоке 28 км3 /год и различных величинах переброски AQ


AQ

5

10

15

S, %

11,7

10,8

9,6

Т

5

8

10

394


Из данных этой таблицы видно, что время установления солености при дотации срока колеблется в пределах от 5 до 10 лет. На основе модели проведены расчеты динамики и всех остальных элементов экосистемы. Так, расчеты дают возможность заключить, что время установления популяции белуги при разных дотациях стока колеблется от 10 до 20 лет. Ожидаемая прибавка численности белуги при дотации стока 15 км3 оценивается в 120 тыс. шт. Следует отметить, что вместе с дотацией пресной воды произойдет и изменение качества стока, так как часть стока попадает в Азовское море через ирригационную сеть и будет, таким образом, иметь повышенное загрязнение и повышенную минерализацию. Эти обстоятельства учитывались в модели и отражены в приведенных выводах.

При исследовании экологической активности Керченского гидроузла испытано 25 вариантов регулирования водообмена в широком диапазоне – от свободного водообмена до полного перекрытия пролива.

Процесс регулирования водообмена через Керченский пролив заключается в возможности ограничения объемов вод, протекающих через пролив в ту или иную сторону в зависимости от ветровой ситуации. Этот процесс управления можно формализовать, введя два параметра βча и βач, где βач характеризует долю общего стока из Азовского моря в Черное, пропускаемую гидроузлом, если имеет место сток вод из Азовского в Черное море. Аналогично βча характеризует долю общего стока из Черного в Азовское море, если имеет место обратный сток вод из Черного в Азовское море. Очевидно, 0 < βач, βча < 1. При этом βач = βча = 0 соответствует полному перекрытию Керченского пролива, βач = βча = 1 соответствует открытому проливу.

С помощью параметров βач, βча можно моделировать управление водообменом через Керченский пролив не только посредством спроектированного «Гидропроектом» узла, но при любом другом техническом решении вопроса. Таким образом, βач и βча можно отнести к контролируемым параметрам настройки системы, т.е. параметрам управления.

С помощью ИС были рассчитаны времена установления солености при разных βач, βча. Результаты приведены в табл. 3.

395


Таблица 3.

Времена установления (годы) солености Азовского моря при переводе системы с начального режима регулирования βнач/ач на конечный режим βкон/ач,

β кон/ча при стоке Q = 28 км3 /год


βкон/ач







βкон/ач







0,00

0,25

0,50

0,50

1,00

0,00

0

2

12

14

20

0,25

2

0

3

11

15

0,50

7

2

0

3

13

0,75

9

9

2

0

8

1,00

16

10

7

2

0

Из данных таблицы видно, что время установления солености при осуществлении того или иного управления колеблется в пределах от 2 до 20 лет.

В табл. 4 приведены для примера времена установления популяции судака. Как видно из этой таблицы, времена установления численности и биомассы судака колеблются в пределах 6–35 лет. Эти данные весьма важны для оценки времени окупаемости затрат на сооружение гидроузла и в целом для всей рыбо-хозяйственной стратегии. Аналогичные данные получены для всех представителей экосистемы моря.

Таблица 4.

Времена установления (годы) численности пупуляции судака при переводе системы с начального режима регулирования βнач/ач = β нач/ча ) = 1

на конечный режим при Q =28 км3 /год




βкон/ач

β кон/ча

0,00

0,25

0,50

0,50

1,00

0,00

0,25


0,50

0,75


1,00

0

6

9



17

29


7

0

8



16

23


11

10

0



7

18


11

10

0



7

18


35

31

26



16

0

396

Приведенные здесь результаты по эффективности управления экосистемой посредством регулирования Керченского гидроузла далеко не исчерпывают всего фактического материала, полученного по модели. Имеются детальные расчеты установления режимов и самих режимов функционирования всех компонент экосистемы при тех или иных управлениях.



Определенный интерес представляет изучение эффективности регулирования водообмена при возрастающем изъятии стока. Показано, что критическая ситуация с соленостью достигается при Q = 20 км3 когда никаким управлением нельзя будет предотвратить засоления Азовского моря до уровня Черного. Особого внимания заслуживает ситуация при βач = βча = 1, что соответствует нынешнему свободному водообмену. Так, при стоке Q = 25 км3 соленость Азовского моря достигнет величины S= 14,5 %. Такая соленость чрезмерна для нормального существования большинства видов Азовской экосистемы и недоста­точна для нормальной жизнедеятельности большинства видов черноморской экосистемы.

При стоке, приближающемся к критическому, продолжительность переходных процессов резко возрастает, может составить многие десятилетия, вследствие чего регулирование водообмена становится неэффективным. При стоках, меньших критического, как указывалось, никакое регулирование не позволит предотвратить засоление моря.

Детально проанализирована жизнедеятельность экосистемы Азовского моря в условиях совместного существования переброски стока и регулирования водообмена. Всего рассчитано более 50 вариантов в таких сочетаниях при разных дотациях стока, режимах регулирования и эшелонирования этих мероприятий во времени. При этом доказано, что сочетание регулирования водообмена с переброской стока является наиболее эффективным вариантом управления и позволяет существенно сократить время восстановления физико-химических параметров и биологической продуктивности Азовского моря до уровня, характерного для условий его естественного режима.

Выполненные расчеты не исчерпывают всех возможностей модели. По существу, она позволяет проводить количественную экологическую экспертизу любых других макрорегиональных и локальных проектов, способных оказывать воздействие на эко-

397

систему моря.



Итоги работ по созданию математической модели Азовского моря включены в сводные отчеты СССР по водному проекту Международного института прикладного системного анализа, включены в научную программу обмена между СССР и США в рамках соглашения по всестороннему анализу окружающей среды (проект 0.02.02–12), опубликованы в трудах Агентства по охране окружающей среды США, которое использовало имитационную систему Азовского моря для моделирования экосистемы «Озеро Гурон».

Разработка имитационной модели подтвердила большую эффективность системного анализа при исследовании сложных проблем охраны природы и рационального природопользования. Она показала возможность успешного моделирования систем с большим числом параметров. ИС позволила установить ряд закономерностей функционирования водных экологических систем, а также дать количественную оценку эффективности крупных водохозяйственных проектов в бассейне Азовского моря.

Разработанные методологические принципы моделирования являются достаточно универсальными и могут быть использованы при создании многих других сложных систем. Разработка и внедрение модели оказали существенное влияние на организацию, планирование и уровень исследований по всем звень­ям экосистемы в целом. Логическая стройность модели позволила вскрыть наиболее узкие места в выполнявшихся до настоящего времени естественнонаучных исследованиях по Азовскому морю.

Потребности в естественнонаучном материале, возникшие при построении модели, придали исследованиям в области гидрологии, гидрохимии, ихтиологии, биологии моря большую целенаправленность, комплексность, методическое единство. Положительный момент заключается и в широком внедрении точных математических методов обработки результатов натурных наблюдений над экосистемой Азовского моря, что в большой степени повысило их эффективность.

Естественно, проведение такого исследования потребовало усилий ряда научных коллективов, главным образом Института механики и прикладной математики Северо-Кавказского научного

398


центра, Азовского НИИ рыбного хозяйства. Решающую роль в создании модели сыграли многие ученые: в первую очередь член-корреспондент Академии наук СССР И.И. Ворович, а также Э.В. Макаров, С.П. Воловик, А.Б. Горстко, А.М. Брофман, Ю.А. Домбровский, Ф.А. Сурков, А.Я. Алдакимова.
1982 г.
СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие…..3

I. ЭВОЛЮЦИОНИЗМ В ХИМИИ ….. 5

Проблемы химической эволюции……..5

Теория отражения и современная химия….. 39

Узловое понятие теоретической химии…….53

Биоорганическая химия…….68

Гомология и олигомерия в биохимии….78

Проникая в тайны микромира…..90

Химия и эстетика….94

Химическая коэволюция…..104

II. НАУКА ЧЕЛОВЕКУ….117

Гуманизм и наука….117

Карл Маркс и социальная роль науки… 135

Слово о Ломоносове….148

Д.И. Менделеев и современность….162

Свет рационализма….168

Эйнштейн и Гегель….185

Социальные искания Норберта Винера… 198

Во мгле противоречий….205

Возможна ли этология растений? …261

Преодоление отчуждения в сфере научного труда…269

Русский космизм…277



III. В ПОИСКАХ НООСФЕРЫ….289

Влияние человека на природные процессы…289

Учение о биосфере в свете диалектической

концепции развития…315

О структуре геосферы разума… 344

Грядущее основание бытия…364

Имитационная модель Азовского моря…376
Научное издание

Жданов Юрий Андреевич

ИЗБРАННОЕ

В трех томах

Том 1

Редактор Л.Г. Кононович



Корректор Е.К. Кожухова

Компьютерная верстка Н.В. Кучеренко


Сдано в набор 31.08.09. Подписано в печать 10.09.09. Формат 60 \ 84 1/16. Офсетная печать. Усл. печ. л. 25,0. Уч.-изд. л. 25.0. Бумага книжно-журнальная. Заказ № 4848

Тираж 200 экз.



Издательство Северо-Кавказского научного центра высшей школы 344006, Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 140.

1* Ятрохимия – направление науки XVI и XVII вв., стремившееся поставить химию на службу медицине.

2* Имелся в виду академик Вавилов.

3* В соавторстве с А.Ю. Ждановым.

4* В соавторстве с А.Ю. Ждановым.

5* В масштабе цен 1976 г.



Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   17   18   19   20   21   22   23   24   25


©kzref.org 2019
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет