Использование системного анализа на региональном уровне (на примере модели залива МАТСАЛУ)

Системный анализ последствий регионального уровня антропогенного сельскохозяйственного воздействия на окружающую среду был сделан группой представителей разных специальностей в Эстонии.

Охрана окружающей среды в Эстонии имеет давние традиции. Первая охраняемая территория появилась в Эстонии в 1910 году (на западном острове Вилсанди). В Эстонии много лет назад приняты кодексы по большинству природных ресурсов, введено государственное планирование рационального использования природных ресурсов. В стране взяты под охрану уникальные природные объекты. Приняты меры по защите земельного фонда, полезных ископаемых, водоемов, лесов, атмосферы.

Однако, Эстония - лишь одно из государств находящихся на берегу Балтийского моря. Не важно, каким из государств загрязняется Балтийское море, Эстония ощущает на себе последствия загрязнения.

Состояние окружающей среды в Эстонии во многом определяется природными и антропогенными процессами, проходящими в этом регионе. Эти процессы могут сильно изменить состояние окружающей среды. Для оценки последствий антропогенных воздействий были сформулированы проблемы, связанные с ухудшением состояния окружающей среды в Эстонии. Представители разных специальностей (экологи, биологи, географы, математики, экономисты) собрались в единую команду, которая, используя идеи системного анализа, попыталась решить природоохранную проблему, связанную с сельскохозяйственным производством. В качестве объекта конкретного исследования был выбран морской залив Матсалу.

Результаты исследований были опубликованы в монографии «Имитационное моделирование системы «Водосбор - река - морской залив» (1989). Дальнейшее изложение информации взято из упомянутой монографии.

Основой оценки последствий взаимодействия человека и окружающей среды авторы считали системный анализ, который позволил им комплексно рассмотреть проблему и связать в единое целое разные процессы.

Рассмотрим имеющуюся проблему c позиции системного анализа.

Согласно системному анализу первым этапом исследований является постановка задачи, которая включает определение целей, рассмотрение потребностей и возможностей решения проблемы, перечень потенциальных вариантов.

Целью данной исследовательской работы была количественная оценка неточечного биогенного воздействия человека в результате сельскохозяйственной деятельности на водосборе и его влияние на процесс эвтрофирования морского залива.

В основе системного анализа лежит математическая модель. Поэтому для решения задачи потребовалось создать математическую модель залива Матсалу.

Исследуемая природная система является очень сложной, и для создания математической модели требуется большое количество статистической информации, которая не всегда является репрезентативной. Руководствуясь идеями системного анализа, авторы модели провели анализ экспертных мнений о процессах эвтрофирования залива Матсалу. Были составлены 2 анкеты. Первая анкета содержала 23 вопроса о причинах эвтрофирования залива Матсалу, вторая анкета содержала 24 вопроса о принятии различных мер для уменьшения процесса эвтрофирования. Анкеты были разосланы 28 специалистам различных учреждений, которые связаны с исследованиями состояния окружающей среды, находящейся под антропогенным воздействием. Эксперты условно были разбиты на 3 группы: природоведы, состоящие из биологов и гидрохимиков, работники сельского хозяйства, состоящие из агрохимиков и проектировщиков и сотрудники органов охраны природы.

Экспертам было предложено оценить по четырехбальной системе влияние разных факторов на эвтрофирование залива. Эксперты дали оценки всем поставленным вопросам. Укажем только максимальные оценки по двум анкетам.

Согласно экспертным оценкам, основной причиной эвтрофирование залива Матсалу является общее плохое состояние всего удобрительного комплекса хозяйств водосборной территории. Главной причиной загрязнения вод было принято «несвоевременное применение удобрений». Соответственно, вторая анкета, касающаяся принятию различных мер для уменьшения процесса эвтрофирования, получила от тех же самых экспертов максимальную оценку (в 3 балла) - рекомендацию о своевременном применении удобрений. Была сделана также рекомендация (максимальная оценка в 3 балла) о «развитии системы водоохранных зон».

Для создания модели, прежде всего, была получена общая информация о заливе.

Морской залив Матсалу, являющийся центральной частью Матсалуского государственного заповедника, находится у западного побережья Эстонии. В залив Матсалу впадает несколько рек. На водосборе этих рек и Матсалуского залива существует интенсивное сельскохозяйственное производство. В результате этого залив Матсалу и экосистема залива подвергаются достаточно сильному антропогенному воздействию.

Залив Матсалу мелководен (средняя глубина 1,5 м., а максимальная глубина достигает 3,9 м.) и достаточно глубоко врезается в сушу. Длина залива 18 км., наибольшая ширина 6,5 км., ширина в устье 4 км., общая площадь около 90 кв. км. Площадь водосборной территории залива 3,5 тыс. кв. км. В модели были выделены западная и восточная части залива, которые отличаются по многим характеристикам друг от друга. Дно западной части залива покрыто слоем песка и гравия, под которым находится глина. В средней части залива грунт илисто - песчаный и илисто - глинистый. Дно восточной части залива покрыто слоем ила, а также гниющими остатками высшей водной растительности. Функционирование залива практически полностью определяется впадающей в него рекой Казари. За год в залив вливается 950 куб. м. пресной воды, из них 865 куб. м. дает река Казари. 40 % этой воды поступает в залив в весеннее время. Вследствие мелководности залив сильно прогревается летом (средняя температура воды (+)20 градусов по Цельсию). В заливе преобладают ветры западного и юго-западного направлений, которые создают ветровой нагон морской воды в залив.

В заливе Матсалу отмечается неустойчивый гидрохимический режим, особенно в восточной части. Гидрохимический режим в западной части более устойчивый. Он формируется двумя потоками: с одной стороны поступлением пресной воды от впадающих в залив рек, с другой стороны ветровым нагоном солоноватой воды с моря.

Для биоты залива большое значение имеет соленость воды, которая изменяется от 0 (в промилях) в восточной части залива до 7 промилей в западной части. Соленостью во многом определяется состав и объем вылова рыбы. Максимум солености по времени падает на июль - август месяцы. Среднее значение концентрации растворенного в воде кислорода оценены как 8-11 мг/л. Значения pH колеблются от 7,0 до 9,2.

Макрофиты представляют большую часть биоты залива. Они же главные потребители биогенной продукции. Заросли полупогруженных макрофитов (80% которых составляют тростники) занимают дно восточной части залива Матсалу. Соответственно, биогены, поступающие с пресной водой в залив Матсалу, поглощаются этими тростниками.

Имеются статистические данные о скорости распространения тростников: в год тростниковая зона возрастает на 60 га, распространяясь с востока на запад на 150 метров. Следует учитывать особенности роста тростника - тростник растет на глубине, не превышающей 2 метра (такая глубина предельна для данного типа растений). Напомним, что залив Матсалу мелководен, но дно залива поднимается во времени за счет заиливания водоема, так что процесс распространения тростника в заливе непрерывен.

В средней части залива растут харовые водоросли, а в западной части преимущественно растут красные водоросли. Фитопланктону отводится второстепенная роль. Фитопланктон в конкуренции уступает высшим растениям, так как последние имеют преимущества в извлечении питательных веществ. Однако, при создании определенных условий возможны вспышки концентрации фитопланктона (ежегодно отмечаются две вспышки). Первая вспышка происходит в апреле - мае, вторая (менее интенсивная) в сентябре - ноябре.

Ихтиофауну залива Матсалу характеризует 31 вид. Выделяют 4 формы: пресноводные, морские, проходные и полупроходные. Из 31 вида 16 видов – это представители промысловых рыб. Салака и окунь составляет 90 % общего вылова. Имеются такие ценные виды рыб как морской сиг, щука, судак, налим. Из-за сильного эвтрофирования залива условия существования и размножения рыб ухудшились, что отрицательно сказалось на их запасах.

Итак, сельскохозяйственная деятельность человека создает проблему - происходит процесс эвтрофирования залива Матсалу. Реки приносят с полей в залив большое количество минеральных веществ, которые увеличивают первичную продукцию, меняют характеристики гидродинамического режима.

Первой научной задачей изучения процессов в заливе Матсалу является количественная оценка состояния эвтрофирования водоема.

В научных исследованиях имеется несколько способов оценки состояния эвтрофирования водоема. Каждый способ связан с процессом эвтрофирования. Первый способ состоит в измерении в воде углерода растворенного органического вещества. Этот показатель для олиготрофных (олиготрофные - содержащие небольшое количество питательных веществ) водоемов не превышает 4 мг/л, а для эвтрофных (эвтрофные - содержащие большое количество питательных веществ) водоемов составляет 8-12 мг/л. Второй способ оценки эвтрофирования водоемов связан с расчетом концентрации фитопланктона. Третий способ - это расчет концентрации растворенного в воде кислорода. Четвертый способ - расчет суммы всех концентраций питательных веществ, содержащихся в воде, грунтах, растительных и животных организмах.

Очень часто эвтрофирование водоемов связывают с его «цветением». Но к данному случаю такой подход неприемлем, так как водоемы, содержащие макрофиты, имеют свои особенности. По ряду признаков водоем может достигнуть состояния эвтрофии, но при этом будет сохранять низкий уровень концентрации фитопланктона. Т.е., водоемы макрофитного типа достаточно прозрачны и не загрязнены скоплениями микроскопических водорослей.

При создании математической модели залива Матсалу был взят четвертый способ за оценку эвтрофирования водоемов. В заливе Матсалу из года в год возрастает общее содержание питательных веществ как в воде, так и в биомассе макрофитов и животных организмов. Отмечена неоднородность в концентрации питательных веществ в заливе Матсалу. Так, по содержанию в воде общего фосфора и общего азота восточная часть залива считается эвтрофированной, а средняя - слабо эвтрофированной. По содержанию растворенного кислорода восточная часть может рассматриваться как гиперэвтрофированной, а средняя эвтрофированной. Одним из факторов, способствующих эвтрофированию водоема, является скопление зимой подо льдом большого количества отмершей биомассы надземной части тростника, так как кислорода, необходимого для бактериального разложения, не хватает.

Понятно, что эвтрофирование залива Матсалу является результатом сильной антропогенной активности. Применение большого количества удобрений (в первую очередь минерального фосфора и минерального азота) приводит к поступлению с водосбора в водоем большого количества биогенных веществ. Увеличение биогенных веществ способствует увеличению биомассы тростника как основного представителя макрофитов. Зарастание макрофитами способствует накоплению донных отложений. Оба процесса, в свою очередь, способствуют процессу заболачивания залива. Вынос твердого стока и заболачивание залива ведет к его обмелению. В результате возрастает площадь тростниковой зоны, расширяется площадь с анаэробными условиями, увеличивается концентрация фитопланктона в оставшейся (не тростниковой) части залива.

Итак, проблема эвтрофирования залива Матсалу определяется двумя взаимосвязанными системами: водосборным бассейном и самим заливом. Для создания математической модели, адекватно отражающей все процессы в каждой из указанных систем, требуется большая информационная база данных.

В настоящее время не существует единой общепринятой модели эвтрофирования водоемов. Создание модели во многом зависит от исследователя, который анализирует имеющуюся у него информацию и, используя идеи системного анализа, создает блоки модели.

Водосборная территория залива Матсалу имеет площадь 3594 кв. км. и охватывает Западно - Эстонскую низменность и Северо - Эстонское плато. Вне сомнения, главной рекой территории является река Казари, площадь водосбора которой оценивается в 3210 кв. км. Длина реки Казари 112 км. Именно река является основным носителем биогенных веществ на территории водосбора. Для получения необходимой для математической модели информации на территории трех репрезентативных водосборов, а также в устье реки Казари были выбраны 18 пунктов, в которых по единой методике получали информацию с месячной и декадной частотами. В результате были отобраны 424 пробы, в которых анализировались основные формы мигрирующих биогенов. Весь водосбор в свою очередь был разделен на 345 элементарных водосборных участков. Эти участки составляли модули математической модели, в которых описывались свойства почвы, виды землепользования. Блок - схема модели представлена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Блок - схема модели МАТСАУ

Итак, общая схема процессов такова. Процессы, создающие эвтрофирование залива Матсалу, были замоделированы в 5 подмоделях.

Входные и выходные данные модели, включающие поверхностный сток с гомогенных участков территорий, были описаны в подмодели «HYDRO».

Анализ сельскохозяйственной активности был отражен в подмодели «AGRO». Поступление биогенов в реку связано с сельскохозяйственной активностью на примыкающей к реке территории. Поэтому был сделан анализ баланса биогенных веществ в хозяйствах по показателям ввоз - вывоз - остаток.

Выходные данные подмоделей «AGRO» и «HYDRO» поступали в подмодель «CHEM», которая учитывала миграцию биогенов. Эта подмодель включала также результаты анализа сельскохозяйственной деятельности (имеется в виду сроки и дозы внесения удобрений). Подмодель «CHEM» рассчитывала смыв азота и фосфора поверхностным и подповерхностным стоком, вынос дренажным стоком и вынос с эрозией.

Вся эта информация поступала в подмодель «RIVER», с помощью которой оценивалась суммарная потенциальная биогенная нагрузка на залив Матсалу. В этой подмодели учитывались также процессы самоочищения в реке. В конечном счете, определенные концентрации биогенов и органического вещества поступают из речной системы в залив Матсалу. Все процессы эвтрофирования залива в пространстве и времени описаны в подмодели «MATSL».

Таким образом, полная модель описания процесса эвтрофирования залива Матсалу состоит из 5 связанных между собой подмоделей. Рассмотрим более подробно каждую из подмоделей.

Начнем с подмодели «AGRO».

На исследуемом водосборе сельскохозяйственная деятельность является главным загрязнителем окружающей среды. Территория водосбора не содержит промышленных источников, так как крупные города на данной территории отсутствуют. Коммунальные стоки и животноводческие фермы составляют лишь небольшую часть реального загрязнения. На территории водосбора находилось к моменту исследования 36 хозяйств, состоящих из 20 колхозов и 16 совхозов. Авторы исследования разработали методику оценки круговоротов азота и фосфора в колхозах и совхозах. По этой методике определялась эффективность использования указанных биогенов в хозяйстве. В основу методики были положены балансовые соотношения по показателям ввоз - вывоз - остаток. Суть методики заключалась в следующем. Сначала собиралась информация о ввозе в хозяйство продукции, которая содержит биогенные вещества (минеральные удобрения, покупные корма, торф и прочее). Товарная продукция определяла вывоз. Тем самым оценивалась разница между ввозом и вывозом. Далее в модели делался расчет, какая часть остатка уходит в поверхностные и грунтовые воды, а какая часть связывается частицами в почвенном комплексе. Конечный результат являлся функцией, зависящей от рельефа, гидрологических условий, способов и сроков внесения удобрений.

Так как анализ ситуации проводился за прошедший период, то источником информации были данные годовых отчетов о деятельности колхозов и совхозов. В расчет брались 26 наименований. Укажем некоторые из них: азотные и фосфатные удобрения, кормовые дрожжи и добавки, торф на удобрение и подстилку для скота, силос, сено, солома, корнеплоды и др.

Продаваемая хозяйствами товарная продукция содержала 24 наименования. Также укажем некоторые виды продаваемой продукции: зерно, картофель, овощи, фрукты, ягоды, скот, яйца, шерсть и др. Были созданы таблицы по всем 36 хозяйствам, где каждому виду сырья и продукции соответствовало процентное количество содержания азота и фосфора. Полученные данные позволили вычислить экологический кпд для круговорота азота и фосфора по всем хозяйствам водосбора. Для сравнения приведены следующие цифры. С товарной продукцией вывозилось в среднем 10% от ввозимого азота и 12% от ввозимого фосфора. На территории водосбора оставалось ежегодно порядка 12000 тонн азота и 2500 тонн фосфора. Часть этой продукции поступало в речной сток и доходило до залива Матсалу.

Вторым блоком являлась подмодель «HYDRO». В этом блоке осуществлялось моделирование круговорота воды в водосборном бассейне.

Итак, выходными величинами первого блока были количественные значения биогенов - результат сельскохозяйственной активности 36 хозяйств водосбора. Т.е., имелись неточечные источники загрязнения. Здесь возникал элемент неопределенности, присущий системному анализу. Что считать источником загрязнения? Будет ли это хозяйство в целом или все хозяйство будет разбито на части и каждая часть будет источником загрязнения? Однозначного решения на этот вопрос не имеется. К примеру, если территориальная единица, на которой расположено хозяйство, является гомогенной (по почвам, видам землепользования), то она может (модельно) стать источником точечного загрязнения, моделирование процессов которого отражено в модели КРИМС. В противном случае территория хозяйства разбивается на множество относительно гомогенных точечных источников загрязнения. В блоке «HYDRO» построена модель водного баланса, где формализованы основные потоки, определяющие круговорот воды. Выпадающие в атмосфере осадки в зависимости от влажности почвы либо образуют поверхностный сток (после насыщения почвы влагой), либо проникают в пахотный слой. Если почва сухая, то она до определенного предела (это зависит от состава почвы: песок или глина), впитывает влагу, которая в дальнейшем проникает в нижние горизонты почвы, далее в грунтовые воды. В данном блоке рассмотрено также суммарное испарение, включающее транспирацию и физическое испарение, состоящее в свою очередь из испарения с водной поверхности (водоемов, луж), с поверхности растительного покрова, с поверхности почвы и из самой почвы.

В блоке «CHEM» осуществляется моделирование баланса азота и фосфора в почве. Точечная модель является основой для территориальных расчетов. Вся территория водосбора разбивается на части, которые условно считаются гомогенными, т.е., не имеют различия по почвенным и агрохимическим характеристикам. Основными биогенами - полютантами, которые загрязняют залив и способствуют эвтрофированию водоемов, считаются минеральный азот и минеральный фосфор.

Согласно идеям системного анализа в подмодели надо сделать количественный расчет смыва минерального азота и минерального фосфора из водосбора в поверхностные воды. С этой целью промоделированы почвенные циклы азота и фосфора. В основу подмодели положены следующие гипотезы о процессах круговорота азота и фосфора. Азот в почве содержится в органической форме (гумус, микроорганизмы, животные) и минеральной форме. Последняя складывается из трех частей: адсорбированная аммонийная , подвижная нитратная , короткоживущая нитритная форма . Аммонийный азот попадает в воду с твердым стоком вследствие водной эрозии. В математической модели входная информация включает: внесение минеральных удобрений в следующих видах: нитратной форме, в аммонийной форме, внесении органических удобрений, внесении минерального азота с осадками и с оросительными водами, вовлечении в круговорот остаточного минерального азота, органического азота почвы. Азот потребляется растениями, денитрифицируется (т.е., выводится нитратный азот в атмосферу), выщелачивается, смывается в растворенной форме (нитратный азот) и в адсорбированной форме (аммонийный азот). В модели введены гипотезы: растения потребляют общий минеральный азот прямо пропорционально их содержанию в почве, только нитраты выщелачиваются и денитрифицируются. На рис 2.5 представлена блок - схема азотного баланса.

Рис. 2.5. Блок – схема азотного баланса подмодели CHEM

Схема круговорота фосфора во многом подобна схеме круговорота азота. Входная информация содержит фосфор минеральных удобрений, оросительных вод, органических удобрений (включающий минеральный фосфор, содержащийся в навозе). Особенностью фосфорного круговорота является сильное поглощение почвой растворенного фосфора. Растения используют (30 - 40)% растворимого фосфора от внесенных минеральных удобрений. Главная часть почвенного минерального фосфора находится в связанной форме и вымывается с твердым стоком.

Математическая модель содержит две подпрограммы, рассчитывающие баланс суммарного минерального азота и фосфора в пахотном слое (20 см) в течение года с декадным шагом. Выращиваемые на полях растения могут потреблять аммонийный и нитратный азот (без предпочтения), а фосфор только в растворенном виде. Авторы модели ввели гипотезу, что в период вегетации растения потребляют биогены пропорционально приросту биомассы (уравнение, описываемое логистической кривой). Уход нитратного азота в атмосферу (денитрификация) рассчитывается на основе эмпирической формулы. Подпрограмма выщелачивания рассчитывает вынос подвижных форм биогенов из почвы (считается, что мигрировать могут лишь определенные формы азота и фосфора) просочившимися водами. Введено предположение о том, что основное количество питательных веществ находится и усваивается растениями в пахотном слое, который определен в 20 см., является однослойным, т.е., без вертикальной структуры. Также считается, что в этом слое находится основная часть корневой биомассы растений.

Выбор уровня агрегации модели определяется имеющейся в наличие информационной базой. В данной работе поступили следующим образом.

Используемые в модели для расчета параметры (концентрация биогенных веществ в удобрениях, водах, почве, физические параметры почвы, гидротермические параметры и пр.) взяты из справочных источников, статей, посвященных данной проблеме, а также различных отчетов.

Расчет твердого стока (эрозионный процесс) сделан на основе формулы Вишмейера (универсальное уравнение для оценки потери почвы).

Создание адекватной реальности модели всегда трудная задача. Одна из трудностей, которая всегда возникает при моделировании сложных систем, это нехватка необходимой для расчета информации. В этих случаях надо найти золотую середину: с одной стороны не вводить очень большое число переменных и параметров, с другой – не слишком упрощать модель. Модель должна учитывать только важнейшие процессы, проходящие в системе.

Укажем следующие особенности построения модели. Сначала была построена точечная модель выноса биогенов для территории с однородными почвенно-климатическими и сельскохозяйственными условиями. Эта модель отражала ситуацию только на сельскохозяйственных пахотных землях. Поэтому требовались как дополнительная информация, так и гипотезы для оценки выноса биогенов с лесов, сенокосов, болот. Чтобы учесть воздействие весенне - зимнего применения удобрений и навоза на качество вод, вводились гипотезы о движении биогенов во время весеннего половодья, когда почвы еще промерзлые. Следует иметь в виду, что модель отражала лишь самые основные процессы почвенной трансформации биогенов. Многие параметры модели были уточнены в процессе калибровки модели. В процессе моделирования постоянно делался анализ чувствительности параметров модели.

Подмодель «RIVER» решала две задачи. К первой задаче относилась оценка концентрации биогенов в речной системе. Для получения количественных значений данной оценки требуется учет времени прохождения биогенов от точечных источников и элементарных водосборов до речной системы. Вторая задача связана с оценкой влияния процессов самоочищения реки на динамику биогенов. В подмодели «RIVER» имеется блок расчета расходов воды и скоростей течения, а также блок переноса примесей. Загрязняющие вещества из неточечных источников поступают в речную сеть при выпадении дождя или таяния снега, которые в свою очередь приводят к изменению уровня, расхода и скорости течения рек. А это означает, что расчет надо делать при неустановившемся режиме течения, что математически сильно усложняет задачу. Расход воды в створе реки в конкретный момент времени определяется гидрометеорологической обстановкой на водосборе как в предыдущий момент времени, так и в текущий момент времени, а также условиями стока воды. Выпадающие осадки распределяются на сток, проникновение в грунты, испарение. Скорость течения вычисляется как отношение расхода воды в единицу времени к площади поперечного сечения потока.

Подмодель «MATSL» включала в рассмотрение конкретные процессы эвтрофирования водоема залива Матсалу. Она состояла из 17 фазовых переменных. Конкретная задача состояла в определении критических уровней биогенной нагрузки на водоем и способов воздействия на экосистему для уменьшения процессов эвтрофирования. В модели учитывались климатические факторы: температура воды, суммарная солнечная радиация, сила и направление ветра, суммарный сток рек, концентрация биогенов и органики в воде, поступающей в залив.

В моделях, учитывающих процесс эвтрофирования, рассматриваются круговороты биогенных веществ, главными из которых являются азот и фосфор. В рассмотрение также входят бактериальные процессы, которые определяются наличием в воде кислорода.

В модели рассматривался временной интервал 10 - 15 лет, так как именно за эти годы усилился процесс эвтрофирования залива и имелась статистическая информация за этот период времени. Моделировалась динамика экосистемы в течение одного года с временным шагом одни сутки. Временной шаг определялся характерным временем изменения концентрации фитопланктона (одни сутки), а также средним временем установления течений в мелководном бассейне (тоже одни сутки).

Динамика водных масс во многом определяет процесс эвтрофирования залива. В подмодели большое внимание уделялось моделированию водного баланса, перемешиванию, созданию течений как функции стока вод, направления и силы ветра, рельефа дна.

Органическое вещество в заливе создается за счет фотосинтетической деятельности как макрофитов, так и фитопланктона и микрофитобентоса. При потреблении питательных веществ макрофиты в отличие от фитопланктона создают значительный запас биогенов в корнях и тканях. В модели учитывалось, что при концентрации биогенов ниже критической величины происходит задержка развития растения. При значительном превышении концентрации биогенов не происходит дополнительной стимуляции развития растений. В модели учитываются процессы отмирания и распада макрофитов, в результате чего грунт и вода обогащаются биогенами. Учитывается, что некоторая растительность успевает разложиться до зимы, а некоторая не успевает, и процессы продолжаются в начале следующего вегетационного периода и усиливаются с ростом температуры воды. При отмирании фитопланктона образуется органический азот и органический фосфор. Часть органического вещества поступает в воду и там разлагается, а часть оседает на дно.

Важной фазовой переменной модели является количество биомассы зоопланктона и зообентоса. Зоопланктон использует растительный планктон, а также мертвое органическое вещество в качестве пищи, а зообентос помимо указанных выше потребляет также мелкие виды зоопланктона и микрофитобентоса. Фазовая переменная «Рыбы» рассматривает поедание рыбами зообентоса, зоопланктона, фитопланктона. Фазовая переменная «Птицы» учитывает поедание птицами зообентоса, фитопланктона, зоопланктона, а также рыб и некоторых видов погруженных макрофитов.

В водных экосистемах большую роль играет количество в воде растворенного кислорода. Им определяются скорости многих бактериальных процессов. Однако исследования показали, что кислород не является лимитирующим фактором.

Исследование геохимических процессов на водосборе было выполнено с помощью имитационного моделирования с использованием геоинформационных систем. На основе модели были определены критические уровни биогенной нагрузки на залив Матсалу, получены сценарии динамических процессов экосистемы при разных управляющих воздействиях.

Рассмотрим некоторые сценарии процессов эвтрофирования залива Матсалу, полученные на основе математической модели при разных управляющих воздействиях.

Несколько модельных сценариев были сделаны для выявления оптимальных сроков внесения удобрений в почву. Выяснилось, что зимний разброс органических удобрений на снег и мерзлую почву приводит к увеличению уровня выноса органических биогенов более чем в 2 раза. При внесении навоза в почву весной вынос азота (в органической форме) уменьшается до 37%. Один из сценариев показал, что внесение азотных удобрений осенью приводит к сильным потерям. Был рассмотрен сценарий локального внесения минеральных удобрений (гранулированных туков с семенами в почву) в связи с появлением в сельском хозяйстве специальных сеялок. Модельный анализ показал, что наибольший эффект отмечается для фосфора. В одном из сценариев был рассмотрен вариант безотвальной вспашки. Модельные эксперименты показали, что это приводит к сокращению поверхностного стока и уменьшению смыва биогенов на 25%. В другом сценарии было исследовано влияние структуры посевных культур на вынос биогенов. В результате проведенных модельных исследований были сделаны выводы о проведении целого ряда мероприятий, среди которых: локальное внесение удобрений, создание водоохранных полос, замещение частично минеральных удобрений органическими. Авторы сделали вывод, что «столь сложную задачу может решить лишь группа специалистов, объединенных общим языком системного анализа, причем координировать усилия будет сама имитационная система с ее требованиями, возможностями и недостатками».

ЛИТЕРАТУРА

Антонов А.В. Системный анализ. — М.: Высшая школа, 2004. — 454 с.

Анфилатов В.С., Емельянов А.А., Кукушкин А.А. Системный анализ в управлении: Учебное пособие / Под ред. А.А. Емельянова. - М.: Финансы и статистика, 2002. - 368 с.

Берталанфи Л. Общая теория систем - обзор проблем и результатов. «Системные исследования», 1969.

Блауберг И.В., Садовский В.Н., Юдин Э.Г. Проблемы методологии системного анализа. - М.: Наука, 1970. - 456 с.

Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. - СПб.: СПбГТУ, 1997. - 510 с.

Губанов В.А., Захаров В.В., Коваленко А.Н. Введение в системный анализ: Учебное пособие. - Л.: Изд-во Ленинградского ун-та, 1988. - 232 с.

Денисов А.А. Современные проблемы системного анализа: Информационные основы: Учебное пособие. - СПб: Изд-во СПбГТУ, 2005. - 295 с.

Имитационное моделирование системы «Водосбор-река-морской залив» Таллин: Валгус,1989. - 428 с.

Качала В.В. Основы теории систем и системного анализа. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 216 с.

Клиланд Д., Кинг В. Системный анализ и целевое управление. Москва: «Советское радио», 1974 - 280 с.

Льюс Р.Д., Райфа Х. Игры и решения. Введение и критический обзор. Москва: «Издательство иностранной литературы», 1961. - 642 с.

Математическая теория оптимальных процессов (Понтрягин Л.С. Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В. и др.). Москва: Наука, 1976. - 392 с.

Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем Москва: «Мир», 1973. - 344 с.

Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. - М.: Наука, 1981. - 488 с.

Оуэн. Г. Теория игр. Москва: «Мир», 1971. - 230 с.

Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. - М.: Высшая школа, 1989. - 367 с.

Пэнл Р. Методы системного анализа окружающей среды. Москва: «Мир», 1979, - 214 с.

Светлосанов В.А. Применение модели КРИМС в странах Европы и США «Вестник с.-х. науки» 1984, №5, с. 137 - 140

Системный анализ и принятие решений: Словарь-справочник: Учебное пособие для вузов / Под ред. В.Н. Волковой, В.Н. Козлова. - М.: Высш. шк., 2004. - 616 с.

Системный анализ и структуры управления / Под ред. В.Г. Шорина. - М.: Знание, 1975. - 303 с.

Системный анализ: краткий курс лекций / Под ред. В.П. Прохорова. - М.: КомКнига, 2006. - 216 с.

Системный подход в современной науке (к 100-летию Людвига фон Берталанфи). - М.: Прогресс-Традиция, 2004. - 560 с.

Спицнадель В.Н. Основы системного анализа: Учеб. пособие. - СПб.: «Издательский дом «Бизнес-пресса», 2000. - 326.

Сурмин Ю.П. Теория систем и системный анализ: Учеб. пособие. - К.: МАУП, 2003. - 368 с.

Шикин Е.В. От игр к играм (математическое введение). Москва: УРСС, 2003. – 108 с.

Svetlosanov V.A., Knisel W.G. European and United States case studies in application of the CREAMS model //CP-82-s11, IIASA, Austria, 1982

ОГЛАВЛЕНИЕ

Дата добавления: 2015-06-26