Комп’ютерне моделювання екологічних систем

Моделювання – це один з основних методів пізнання. Воно широко застосовується у всіх галузях науки, у тому числі і в екології. В ній часто вимагається спрогнозувати зміни, які можуть відбуватися в навколишньому середовищі внаслідок дії яких-небудь чинників. При цьому модель дозволяє детально вивчити проблему і знайти оптимальний спосіб її вирішення. Однією із задач екології є також встановлення взаємозв’язків між організмами і навколишнім середовищем, опис законів, за якими протікають процеси в живій природі.

Математичні моделі в екології використовуються практично з моменту виникнення цієї науки. Залучення комп’ютерів істотно розсунуло межі моделювання екологічних процесів. З одного боку, з’явилася можливість всебічної реалізації складних математичних моделей, що не допускають аналітичного дослідження, з іншою - виникли принципово нові напрями, і перш за все - імітаційне моделювання.

Комп’ютерне моделювання дозволяє вирішувати досить складні задачі на основі комп’ютерної моделі досліджуваного явища. Переваги комп’ютерного моделювання полягають в тому, що воно:

· дає можливість розрахувати параметри і змоделювати явища, процеси і ефекти, вивчення яких в реальних умовах неможливе або дуже скрутне;

· дозволяє не тільки поспостерігати, але і передбачити результат експерименту за яких-небудь умов;

· дозволяє вивчати явища, що передбачаються будь-якими теоріями;

· є екологічно чистим і не представляє небезпеки для природи і людини;

· забезпечує наочність;

· доступне у використанні.

Проте важливо пам’ятати, що на комп’ютері моделюється не об’єктивна реальність, а наші теоретичні уявлення про неї. Об’єктом комп’ютерного моделювання є математичні і інші моделі, а не реальні об’єкти, процеси або явища.

Критерієм вірності будь-якого з результатів комп’ютерного моделювання був і залишається натуральний експеримент. В наукових і практичних дослідженнях комп’ютерний експеримент може лише супроводити натуральному, щоб дослідник, порівнюючи їх результати міг оцінити якість моделі, глибину наших уявлень про суть явищ природи.

Комп’ютерні моделі екосистем, які програмно реалізують на ПК математичні моделі екосистем, дозволяють проводити обчислювальні експерименти для відображення екопроцесів. Вихідними даними для розробки математичних моделей є спостереження і вимірювання характеристик екосистем, отримані в результаті контролю НС і лабораторних досліджень. Результати комп’ютерного моделювання екосистем і комп’ютерна оцінка впливів на НС техногенних систем мають важливе значення для вирішення завдань управління охороною НС.

Розробка математичних моделей і комп’ютерне моделювання, або обчислювальний (комп’ютерний) експеримент - важливі інструменти прийняття науково-обґрунтованих рішень різних задач управління охороною НС. Розробка та застосування математичних моделей - початкові етапи системного аналізу об’єктів НС.

Будь-яка математична модель, яка дозволяє краще розуміти цю проблему, настільки ж важлива як спостереження і факти. Математична модель - абстрактне формалізований опис об’єкта, процесу або явища реального світу. Математичне абстрагування зазвичай пов’язане з деяким спрощеним формальним поданням реального об’єкта. Абстракція - основа системного аналізу, який дозволяє виявляти головні характеристики моделі об’єкта НС.

На основі математичної моделі, що змінюється, та розробки комп’ютерної моделі, необхідно створити алгоритми і комплекси програм, які дозволяють провести комп’ютерне моделювання або обчислювальний експеримент. Результати, отримані при комп’ютерному моделюванні екосистем (обчислювальному експерименті) можна використовувати для порівняння з результатами спостережень та існуючими знаннями про характеристики реальної екосистеми і НС.

Зміни головних змінних стану комп’ютерної моделі звичайно не будуть повністю відповідати змінам змінних реальної екосистеми тобто при використанні моделі дійсність спотворюється (виникає помилка). Порівняння комп’ютерної моделі з реальною екосистемою може бути зроблене для оцінки помилок, які відбуваються через те, що модель знаходиться в недостатньому погодженні з реальною системою, тобто математична модель не адекватна реальній екосистемі. Комп’ютерна модель повинна неодноразово тестуватися для її удосконалення. Це може повторюватися неодноразово для накопичення точніших глибоких знань про реальну екосистемі. Після перевірки адекватності математичної моделі (ступінь відповідності моделі реальній екосистемі), вона може бути застосована для аналізу інших станів тієї ж самої екосистеми або навіть до інших систем, які безпосередньо не були предметом вивчення при створенні цієї математичної моделі. Перевірка адекватності дозволяє визначити прогностичні можливості моделей, тобто ступінь прогнозування. Використання моделей збільшує наші власні теоретичні та експериментальні знання - це важливий метод аналізу екосистем. Математична і комп’ютерна моделі використовуються для проведення обчислювального експерименту та як інструмент спеціального дослідження НС.

Математичні моделі є замінниками реальних екопроцесів та екосистем, але їх параметри і характеристики повинні бути порівнянні з реальними об’єктами НС. Отже, будь-яке моделювання означає компроміс між теорією і практикою (експериментом).

Розробка математичних моделей екологічних систем базується на блочно-модульному принципі моделювання. При використанні цього принципу математична модель кожної екосистеми являє собою взаємозалежну сукупність типових математичних моделей, або блоків, деяких процесів чи явищ, що представляють собою моделі переносу (речовини та/або енергії), моделі використання ресурсів, моделі кінетики хімічних і біохімічних реакцій, моделі гідродинаміки та ін.

Моделі перенесення відображають процеси переміщення речовин у гідросфері, атмосфері та літосфері. Вони ґрунтуються на припущенні про емісію (характер викиду) і умови переміщення речовин і прогнозують емісію в різних середовищах. Моделі служать потужним інформаційним інструментом для передбачення навантажень на НС (оцінки впливу на НС) в результаті навмисного або ненавмисного антропогенного впливу.

Моделі використання ресурсів беруть до уваги більш широке розмаїття взаємопов’язаних явищ, ніж моделі переносу. Вони вимагають розгляду внутрішніх і зовнішніх рушійних сил і антропогенних взаємодій. Зокрема для ґрунтових вод і поверхневих водних систем існує багато математичних моделей, таких як моделі самоочищення, моделі евтрофікації (заростання водойм), які описують зміни кількості і якості води. Ці моделі використовуються для управління водними ресурсами річкових басейнів.

В процесі набуття знань на основі аналізу науково-технічної літератури та аналізу досвіду спостережень складається попередня математична модель. Потім, попередня математична модель повинна бути перетворена в формалізовану гіпотезу, на основі якої повинні бути отримані висновки, що піддаються перевірці. Достовірність цих висновків повинна бути перевірена із застосуванням нових даних, не використаних при формулюванні гіпотези. Якщо висновки виявляються правильними, то процес пізнання може бути продовжений, інакше необхідно повернутися до попереднього етапу.

Дата добавления: 2014-01-13