Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Теория и практика имитационного моделирования экологических систем урбанизированных регионов

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Теория и практика имитационного моделирования экологических систем урбанизированных регионов"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет географии и геоэкологии

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ ВриЙ Николаевич

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ УРБАНИЗИРОВАННЫХ РЕГИОНОВ

II.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1992

Работа выполнена на кафедре геоэкологии и в НИИ

Географии Санкт-Петербургского государственного

университета

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Н.Б.Барышников доктор географических наук, профессор В.А.Знаменский доктор географических наук, профессор С.Б.Лавров

Ведущая организация - Санкт-Петербургский технический университет

Защита диссертации состоится " / 7" Ъека1992 г. на заседании специализированного Совета Д.063.57.16 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора географических наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199178, Санкт-Петербург, 10-я линия, д.33, ауд.74.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского университета.

Автореферат разослан " 2 " //Я_1992г.

Ученый секретарь

специализированного совета кандидат географических нау

.И.Алексеева

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Изучение и оптимизация взаимоотноаений в системе "Человеческое общество - среда обитания" является одной из ключевых проблем современной науки. Особенно остро она стоит в экономически развитых странах и регионах с большой плотностью населения. Антропогенный пресс здесь настолько силен, что приводит к весьма существенным, часто необратимым изменениям в экологических системах. Ответная реакция природных систем ставит под угрозу само существование некоторых крупных очагов цивилизации. Это районы экологического бедствия. Их число постоянно увеличивается.

Санкт-Петербургский регион, являющийся зоной повьыенного экологического риска, потенциально готов пополнить собой список зон экологического бедствия. Уже сегодня здесь остро встает проблема питьевого водоснабжения. Качество воды Ладожской системы, являющейся основным источником водоснабжения города с пятимиллионным населением, оставляет желать лучяего. Недостаточная очистка промдаленных и бытовых стоков создает тяжелые экологические условия в дельте р.Невы и Неве -кой губе. Эта ситуация усугубляется продолжающимся строительством Ленинградской дамбы. Ухудшается санитарное состояние вод и пляжей ь рекреационных зонах на побережье Финского залива и т.д. Исторически сложившиеся деформации в экономическом развитии страны в целом и Санкт-Петербургского региона в частности также не способствуют нормализации социально-экологической обстановки.

Система "Человеческое общество - среда обитания" принадлежит к числу наиболее сложных из известных сегодня науке систем. В ней органически сочетаются внутренняя сложность функционирования природных экологических систем, стремящихся к самосовершенствованию и гармонии с противоречивым поведением не менее сложных социально-экономических систем, двигающихся, во всяком случае на современном этапе развития, к самоликвидации. Но это движение - не врожденный порок социальных систем. Оно в значительной степени связано с современным уровнем развития экологической науки, пока еще не располагающей арсеналом строгих, проверенных на практике методов прогноза негативных последствий управленческого волюнтаризма, ведомственного эгоизма и экологической безграмотности.

Перспективным методом исследования и прогноза развития природных и социально-экологических систем является имитационное моделирование. Имитационная модель, по определению академика Н.Н.Моисеева, представ-», ляет собой формализованное описание на ЭШ изучаемого явления во всей" -'

- г -

его полноте на грани понимания современной науки. Имитационное моделирование должно привести к созданию общей теории развития природных и социально-экологических систем.

Цель исследования. Целью работы является:

- разработка методологии имитационного моделирования экологических систем урбанизированных регионов на уровне: "природные экосистемы -население - экономика - загрязнение окружающей среды".

- практическая реализация этой методологии в виде серии последовательно усложняющихся имитационных моделей природных и социально-экологических систем.

- прогноз развития экосистем водоемов и урбанизированных регионов при различных сценариях антропогенных нагрузок.

Исходные материалы. В работе использованы:

- данные государственного экологического мониторинга оз.Ильмень и рек его бассейна, р.Волхов, р.Невы, Невской губы и восточной части Финского завила за период с 1948 по I9Ü8 гг., опубликованные в бюллетенях и ежегодниках СЗУГКС;

- данные гидрологических, гидрохимических и гидробиологических наблюдений, выполеннных экспедициями Государственного гидрологического института и Зоологического института АН СССР в Невской губе в 198184 гг.;

- материалы, гидр: метеорологических и актинометрических наблюдений на стандартной серии станций гидрометслужбы;

Большая часть этих материалов занесена в банк данных информационно-экологической системы "Экология водоемов". Особое место в банке данных отводится информации, собранной экспедициями НИИ Географии ЛГУ в проливе Бьеркезунд (1972—1973 гг.), в Северном море (1974 г.) и на оз.Ильмень (1986-1987 гг.), организованных и осуществленных под руководством автора этой работы. Эти экспедиции целенаправленно планировались для информационного обеспечения задач имитационного моделирова ния экологических систем. Собранные в них данные по-своему уникальны Они охватывают годовые циклы развития экосистем с дискретностью наблюдений 5-10 суток в весенне-летний и 15-20 суток - в осенне-зимний периоды. Сезонные и годовые серии наблюдений проводились на полигонах и полустационарных станциях и включали широкий комплекс гидрометеорологических, актинометрических, гидрологических, гидрохимических и гидробиологических наблюдений.

Для определения интенсивностей демографических и экономических процессов в имитационных моделях социально-экологических систем

использованы статистические материалы, опубликованные в справочниках и сборниках Государственного комитета СССР по статистике и Управления статистики г.Ленинграда и области в период с 1921 по 1989 гг.

Методология и методика исследований. В основу работы положен дедуктивный путь, познания. Обличенный в математическую форму образ экологической системы составляет ее априорную имитационную модель. Эта модель используется для въщвикения и проверки по натурным данным совокупности гипотез (сценариев) о поведении системы в различных условиях. Чем большее количество гипотез оправдывается, тем с большим основанием априорную модель можно рассматривать в качестве теории |?ункционирования экологических систем.

Рассматриваемые в работе имитационные модели построены на деторми-■гастских принципах. При их формулировке использованы: законы сохране-1ия вещества, энергии и количества движения; аллометрический закон; закон толерантности; формулы энергетической гидробиологии; уравнения синетики химических и биохимических реакций; ¡аналитические модели по-туляций и сообществ; формулы математической демографии и экономики и г.д. Такой подход к формулировке априорной модели позволяет'говорить > ее относительной универсальности. В отличии от статистических моде-[ей, работоспособных только апостериори, модели, построенные на де-?ерминистских принципах, пригодны для изучения как наблюдаемых (ныне :уществующих), так и не наблюдаемых (трансформированных ) экологичес-сих систем.

Модели социально-экологических систем строятся по блочному принци-[у. Каждая из них состоит из двух макроблоков, предназначенных для юделирования природных экологических систем водоемов и социально->кономических систем регионов; Макроблоки, в свою очередь, имеют 1лочн;по структуру. Считается,, что состояние водных объектов отражает ровень антропогенной нагрузки на .среду обитания в целом. Загрязнение юд определяется по изменению трофического статуса водоемов.

Предлагаемые в' диссертации имитационные модели фор>мулируются в ви-,е систем существенно нелинейных обыкновенных дифференциальных урав-ений или (и) уравненийв частных ■ производных с соответствующими на-альными и граничными, условиями. Правые части дифференциальных урав-екий, определяющиескорости обменных процессов мезду компонентами иоценоза и биотопа, формулируются на основе уравнений баланса веще-тва в экосисиеме. Граничные условия отражают процессы обмена вещест-ом и энергией.с .'соседними экосистемами такого же или более высокого-ерархического уровняв Яалёния йодсеточного'масштаба учитываются па-

раметрически. В зависимости от постановки задачи и используемого математического аппарата различаются три класса имитационных моделей: пространственно-однородные (точечные), резервуарные (блочные) и непрерывные (пространственно-неоднородные).

Процедура моделирования сводится к численному интегрированию сис-те?.; дифференциальных уравнений на ЭВМ. Реализация точечных и блочных чоделей предшествует созданию существенно более сложных пространственно-неоднородных моделей. При этом точечные модели используются для селекции функциональных связей и уточнения констант, определяющих интенсивности обменных процессов между компонентами экосистемы. Селекция зависимостей и корректировка констант осуществляется в ходе процедуры идентификации моделей.

'Научная новизна. В ходе работы над темой впервые:

- Сформулирована общая концепция имитационного моделирования пространственно-неоднородных экосистем водоемов путем решения краевых задач для уравнений теории сплошной среды. Определена четырехмерная краевая задача для системы уравнений гидродинамики и турбулентной диффузии неконсервативных химико-биологические субстанций. Предложена методика численной реализации имитационной модели на ЭВМ, основанная на использовании идей метода расщепления (Сергеев, 1972).

- Под руководством автора диссертации разработана и введена в опыт ную эксплуатацию автоматизированная информационно-экологическая система, включающая базу данных и базу знаний. База экологических данных предназначена для первичной диагностики состояния экосистем и информационного обслуживаяля задач имитационного моделировнаия. База экологических знаний содержит программы имитационных моделей и результаты их реализации в виде модельных сценариев развития экосистем при различных антропогенных воздействиях. Сценарии предназначены для информационного обслуживания лиц, принимающих решение по нормализации экологической обстановки в регионе (Сергеев, 1977; Сергеев и соавт., 1977; 1979; 1981).

- На основе теоретических положений и натурных комплексных экологических исследований, выполненных совместной Североморской экспедицией НИИГ ЛГУ и АтлантНИРО в 1974 г.,под руководством автора диссертации создана четырехмерная пространственно-неоднородная модель водной экологической системы. На модели осуществлена имитация весенне-летнего цикла развития пелагической экосистемы Северного моря. По результатам этой работы издан тематический сборник (Сергеев, Грузов, 1982; ...)

- С£ор:.улироБанк и реализована на ЭК.', пространственно-однородная

и резервуарная модели круговорота углерода, азота, ,;ос"ора и динаг.глкл кислорода в водных экосистемах Невской гуОг и ьосточжж части Минского залива (пролив Бьеркезунд). Екполнена и;.з:тдция годовых и многолетних циклов развития экосистем в современных условиях и при дальнейшем повышении антропогенных нагрузок (Дмитриев, Кулеш, Сергеев, 1988; Сергеев, Дмитриев, 1990).

- Реализована трехмерная пространственно-неоднородная модель экосистема оз.Ильмень. Осуществлено моделирование весенне-летнего цикли развития экосистемы в проточном водоеме о экстремально большой внутри-годовой изменчивостью площади водного зеркала (Сергеев, Кулеш, 1589; Кулеш, Сергеев, Бойцов, 1389).

- Создана пространственно-неоднородная имитационная модель водной экологической системы Невской губы и прилегающей акватории восточной части Финского залива. По результатам серии модельных имитаций выполнена оценка влияния Ленинградской дамбь: и городских стоков на процесс эвтросирования вод эстуария.

- По данным государственной статистики за период с 1913 по 1988 гг определены эмпирические зависимости, характеризующие интенсивности демографических и социально-экономических процессов на территории бывшего СССР и Санкт-Петербургского региона.

- На основе принципов системной динамики, реализованных Дж.Форрес-тером и Д. Мидоузоы в глобальных моделях "Мир-2", "Мир-3" и уравнений баланса вещества в водных экосистемах, созданы две модификации имитационных моделей развития (деградации) субглобальной социально-экологической системы на территории бывшего СССР. Первая модификация ш.ги-тирует развитие системы страны в целом. Вторая - предназначена для изучения динамики социально-экологических систем городов и сельской местности.

- Осуществлена имитация развития социально-экологических систем на территории бывшего СССР в период с 1910 по 2070 гг. при различных сценариях развития производства и антропогенных воздействий на среду обитания. Показано, что при существующих темпах загрязнения окружающей среды на территории СССР в первой половине XXI века произойдет экологическая, катастрофа. Указывается возможный путь ее предотвращения.

■ - Построены б.\ модели развития региональных подсистем г. Санкт-Петербурга ^ .">сти, которые рассматриваются в тесной связи с социально-экологиЧч. -'ой системой страны. Показано, что в г.Санкт-Петербурге экологический кризис начнется уже к 2000 г. и при сохранении существовавших в 80-е годы теыюв загрязнения окружающей среды

будет стремительно развиваться. Обсуждается сдельный сценарий, обеспечивающий возможность смягчения кризисных явлений.

Основания для выполнения исследований. Работы по имитационному моделированию экологических систем проводились автором диссертации в связи с выполнением следующих плановых НИР:

- "Исследование функциональных особенностей экосистемы Балтийского моря методами математического моделирования" (1969-1974 гг.)

- "Изучение структуры и особенностей функционирования экосистем океана с целью разработки методов регулирования их динамики" (Межцу-народный проект "Экосистема", 1976-1980 гг.)

- "Разработка математической модели поведения пелагической экосистемы Северного моря" (НТП "Мировой океан", 1978-1980 гг.)

- Разработка математической модели экосистемы Невской губы и восточной части Финского залива и анализ возможных её изменений под влиянием перераспределения стока, перспективного сброса сточных вод и сооружений по защите Ленинграда от наводнений" (Задание 850109 плана ГКНТ СССР, 1981-1985 гг.)

- "Разработка имитационной математической модели экосистемы озера Ильмень" (Задание 09.0I.H73 плана ГКНТ СССР, 1986-1990 гг.)

- "Разработка базового варианта информационно-экологической системы "Северо-Запад" (Тема п.1.014 НТП "Экология России", 1991 г.)

Автор диссертации является научным руководителем перечисленных НИР

Практическая значимость. Рассматриваемые в работе методы имитационного моделирования представляют собой рабочий инструмент для оценки и прогноза состоя,.лй пр:-.;„сднкх экологических систем водоемов и социально-экологических систем регионов. Подтверждением этому может служить срагмент из заключения комиссии по экспертизе проекта сооружений по защите г.Ленинграда от наводнений, сформированной по постановлению общего собрания АН СССР от 29.12.88 г. .»549.

"...Комиссии удалось познакомиться с работами, проведенными на Географическом факультете Ленгосуниверситета (под руководством Ю.Н. Сергеева). ... анализ этих моделей позволяет говорить о том, что была предпринята квалифицированная попытка создания совместной эколого-гидродинамической модели, учитывающей динамику достаточно большого ко личвства компонент экосистемы. По-видимому эта модель могла бы служить основой для анализа последствий строительства Ленинградской дамбы и оценки различных вариантов проекта для выбора оптимального варианта. Можно только сожалеть, что работа не была доведена до конца. Поскольку комплексное, системное решение проблемы Ленинградской дамбн

а современном этапе немыслимо без адекватных математических моделей сех экосистем, так или иначе затронутых строительством, представля-тся целесообразным на базе работ, проведенных в Ленгосуниверситете, использованием различных современных методов »-оделирования водных косисте'/. /в частности разработанных в ЕЦ АII СССР/ в срочном порядке ровести необходимые работы по созданию систем» математических коде-ей экосистемы Невской губы к Минского залива. На осноЕе этой систеш еобхоцимо разработать программы мониторинга к управления экосистемой пределить критические режима её функционирования и вкбрать оптжюль-ые проекты для улучшения экологической обстановки в регионе".

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и опуб-икованы в материалах следующих съездов, симпозиумов, конференций и овещаний: Итоговой сессии Ученого совета географического факультета енгосуниверситега /Ленинград, 1971/; Всесоюзном семинаре "Исследова-ие структуры и механизмов функционирования морских экологических истек" /Севастополь, 1974/; Симпозиуме по химическим основам бколо-ической продуктивности Мирового океана и морей СССР /постов на Дону, 376/; I Съезде советских океанологов /Москва, 1977/; Научно-практи-еской конференции Главного управления навигации и океанографии МО ХР "Планирование, сбор и машинная обработка океанографических наблк ений" /Ленинград, 1977/; Годовых итоговых сессиях Ученого совета тлантического научно-исследовательского института океанографии и ыбного хозяйства /Калининград, 1978, 1980/; П Всесоюзной конферен-яи по биологии шельфа /Севастополь, 1978/; 1У Всесоюзном симпозиуме Проблемы системотехники" /Ленинград, 1978/; Советско-Американском импозиуме "Основные факторы, определяющие функционирование морских астем" /Таллинн, 1978/; УП Съезде Географического общества СССР Фрунзе, 1980/; Совещании группы советско-финских экспертов по прог-амме Советско-финского сотрудничества по Финскому заливу /Ленинград, 382/; УШ Съезде Географического общества СССР /Киев, 1985/; Научной эссии УНЦ географии и геоэкологии Ленгосуниверситета и ГО СССР /Ле-шград, 1989/; IX Съезде Географического общества СССР Дазань, 390/.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выво-эв, изложена на 345 страницах машинописного текста, включает 149 аблиц, 214 рисунков и библиографию из 365 наименований.

Содержание работы.

I. Проблемы исследования. Экологию традиционно определяют как науку о взаимоотношениях между

живыми организмами и средой их обитания (ю.Одутл, 1971). Это очень

еглзде определение страдает одним недостатком. В нем акцентируется ориентация экологии на изучение природных систем и нивелируется теснейшая взаимозависимость этих систем и нашей цивилизации. О геологических масштабах воздействия цивилизации на природу говорил В.К.Вернадский. Созданные по заказу "Римского клуба" глобальные модели развития Дж.£оррестера и Д. Кидоуза дали весьма неутешительный прогноз деградации НсШей цивилизации и вызвали повышенный интерес к социально-экологическим исследованиям.

Резюмируя сказанное, представляется целесообразным изменить акцен-т1! б определении экологии как науки. Оно могло бг выглядеть следующим образом. Экология - это нарта о взаимоотношениях сообществ организмов и человеческой цивилизации со средой обитания. Такое определение соответствует трем исторически сложиваимся направлениям развития экологии: биологической экологии, геоэкологии и социальной экологии. В соответствии с эти... понятие социально-экологической системы, используя известию формулу Тенсли, можно определить в виде:

Социоэкосистека = Биотоп + Биоценоз + Население + Экономика

Конструирование и реализация имитационных моделей связаны с решением ряда специфических проблем, в совокупности определяющих методологию имитационного мделирования. Главнейшими из них являются:

1. "Проклятые размерности". Этот термин был предложен А.М.Молчановым. Экологические системы ьчлжчавт в себя огромное число компонент. Учесть их все не представляется возможным даже при использовании современной вычислительной техники. Поэтому при выборе компонент модельной экосистемы и мерности пространства моделирования приходится проявлять особую сдержанность. Снижение количества компонент проводится путем их агрегирования в "экологически однородные группы". Снижение мерности пространства достигается переходом от четырехмерной системы отсчета "пространство-время" к трех-, двух-, или одномерным системам.

2. Формулировка модели. При современном уровне экологической изученности отдельных водоемов и территорий часто бывает затруднительно сформулировать и реализовать достаточно сильную имитационную модель. Приходится сужать задачу, пренебрегать рядом звеньев и взаимодействий, присутствующих в структурно-функциональных схемах реальных экосистем. В принципе при таком "усечении" следовало бы руководствоваться одним из важнейших принципов моделирования, согласно которому наиболее информативным оказывается учет не всех, а только существенных признаков реальной системы. Однако, воспользоваться этим принципом удается не

всегда из-за недостатка информации о скоростях обменных процессов. К таким процессам относятся, например, фотосинтетическая деятельность автотрофов, питание консукентов, траты на обмен организмов, разложение и минерализация органического вещества и т.д. Многие обменные процессы изучены ещё недостаточно. Не в полной мере понято их экологическое значение.

В идеале формулировка имитационной модели должна быть тесно связана с осуществлением широкомасштабного экологического мониторинга. Такая попытка была нами предпринята при создании модели экосистемы Северного моря.

3. Параметризация явлений и процессов поцсеточного масштаба, "змен чивость компонент экосистем характеризуется широким спектром простран ственно-временных масштабов. Разномасштабные силовые воздействия и типичная для жидкой среды гидродинамическая неустойчивость вызывают разномасштабные вихревые движения вод и атмосферы. Биологические процессы, протекающие в экосистеме, также разномасштабны. Они проявляются на онтогенетическом, популяционном и биогеоценотическом уровня .. Сюда относятся: мезомасштабные пространственно-временные сукцессп! видов; микромасштабная изменчивость численности и биомассы, связанная с пятнистым характером распределения организмов; внутрисуточные особенности жизнедеятельности автотрофов; вертикальные возрастные и внутрисуточные миграции зоопланктеров и т.д. Совместное моделирование всего ансамбля процессов физической, химической и биологической природы не представляется возможным. Имитационные модели воспроизводят природные процессы в пределах достаточно узких окон, вырезанных в спектрах их пространственно-временно;: изменчивости. Процессы, масштабы которых меньше пространственного и временного шагов принятой сеточной области моделирования, исключаются Таким образом из поля зрения исследователя. В геофизике такие процессы называются подсеточными.

Для увеличения степени адекватности модели природной системе процессы подсеточного масштаба должны учитываться в ней параметрически, путем введения в уравнения дополнительных членов, вычисления трендов характеристик и т.д. В решении задач параметризации физических процессов достигнуты определенные успехи. Задачи параметризации химических и биологических процессов ещё ждут своего решения.

4. Выбор методики численного интегрирования дифференциальных уравнений. Системы уравнений, описывающие поведение природных комплексов, отличаются высоким порядком и сильными нелинейностями. Моделирование сводится к решению краевых задач в многомерных пространственно-временных областях произвольной конфигурации. Аналитического реше-

ния такие задачи не имеют. Численные методы нуждаются в апробации. Из ряда существующих методов интегрирования систем дифференциальных уравнений с частными производными необходимо выбрать такой, который обеспечивал бы реализацию модели с требуемой точностью и в пределах определенного лимита машинного времени. Решение этой задачи не може! быть однозначным. Окончательный выбор метода может быть сделан толы после проведения численных экспериментов.

5. Информационный голод на этапе диагностики состояния экосистем, начальном этапе моделирования, при идентификации и верификации моделей. Процедура диагностики состояния экосистемы, совершенно необхода мая на этапе конструирования имитационной модели, сама по себе предполагает наличие достаточно обширной натурной информации. В соответствии с формулировкой модели, в области решения в момент времени должны быть заданы согласованные мевду собой поля моделируемых комп< нент. На границе района необходимо задать изменяющиеся во времени граничные условия. Процедуры идентификации и верификации моделей пр| дполагают наличие наблюдений за компонентами экосистемы внутри прос ранственно-Ерекенной области решения задачи. Очевидно, что на современном этапе становления государственного экологического мониторинг, получить данные, полностью удовлетворяющие перечисленным требования, невозможно. Необходима организация целенаправленных лолустационарны экологических станций и экспедиционных съемок, ориентированных на информационное обслуживание имитационных моделей.

6. Информационный "взрыв" при решении задачи моделирования. При реализации др' ;;трано?Е'лто-неоднородных моделей приходится оперировать с большим объемом фактической информации, необходимой для зада ния начальных и граничных условий краевых задач. Несоизмеримо больший объем информации о поведении системы поступает к исследователю в ходе моделирования на ЭВМ. Процесс моделирования по своей сущност предполагает многократное решение задачи с целью изучения отклика системы на различные сценарии антропогенных нагрузок. Понятно поэте му, что процедуры задания входной и анализа выходной информации пре вращаются в самостоятельные проблемы, для оперативного решения коте рых требуется привлечение средств системотехники.

7. Реализация имитационной модели на ЭВМ. Комплекс задач имитащ онного моделирования и информационного обслуживания перерастает в информационно-экологическую систему, разработка которой по своей сложности и трудоемкости становится соизмеримой с процессом создай АСУ. Разработка частных проектных решений при этом часто не совпадг ет во времени с принятием общесистемных решений. Приходится вносит]

многочисленные изменения.в уже'готовые программы. Эта работа осущест- ■ вляется в'условиях непрерьзнЬго прогресса средств системотехники: . технического, .совершенствования и смены поколений ЭШ, пересмотра взглядов назначение и содержание систем математического обеспечения. Практическая- реализация достаточно сильных имитационных моделей требует скоординированных, усилий.коллектива исследователей и предполагает. в качестве-обязательного условия свободный доступ-к современным ЭШ высокой производительности..

: 8. Анализ"чувствительности моделей. Природные экосистемы в процессе эволюции приобрели свойства устойчивости к внешним воздействиям.' Имитационная модель экосистемы должна быть построена так, чтобы в определенном смысле■она могла отражать свойства устойчивости системы-оригинала. Разработанные в теории дифференциальных уравнений классические Методы исследования устойчивости не ;,:огут быть использованы ввиду высокого порядка систем уравнений.и их нелинейности. Анализ способности модели отражать свойства системы-оригинала может быть выполнен только после реализации модели на ЭШ в ходе специально спланированных численных экспериментов.' При этом понятие устойчивости заменяется понятием чувствительности модели к изменениям значений параметров интенсивностей. обменных.процесЪов. Повышенная чувствительность решения'к изменениям значений параметров.служит сигналом о том, что соответствующие процессы моделируются неадекватно природе и модель нуждается в доработке. На практике задача об оценке чувствительности модели решается лишь частично. Количество параметров модели достаточно велико и изучить реакцию системы на изменение у кдого из них невозможно.

•9. Оценка адекватности- модели системе-оригиналу. Это в; шй этап решения любой прикладной' задачи. Однако, необходимые и дос'1 точные критерии адекватности пока не установлены. В'практике моделирования используются три уровня критериев адекватности. Первый уровень- предусматривает сопоставление данных моделирования с натурными наблюде-. ниями, использованными■при построении модели /процедура идентификации/. Второй, более жесткий уровень критериев предполагает сопоставление результатов' моделирования с независимой информацией /процедура верификации/. Считается,• что модель удовлетворяет второму уровню критериев, если хороший прогноз получен при неизменных численных значениях свободных Параметров. Третий уровень критериев адекватности является наиболее жестким.- В нем используется информация, полученная прц- решении тестовых задач с изменяющимися начальными и граничными условиями при фиксированных численных значениях свободных параметров.

П. Формулировка имитационных моделей экологических систем.

Компонентами моделей будем называть агрегированные в экологически однородные группы основные энергетические, материальные, социальные и экономические составляющие социально-экологической системы-оригинала. Будем различать физико-динамический, химико-биологический и социально*, экономческий комплексы /блоки/ модели.

Используя традиционный в механике жидкости силовой способ описания движения, в качестве компонент физико-динамического комплекса примем классический набор характеристик динамики бароклинной жидкости: U, , U¿ , Uj - проекции вектора скорости течения на оси декартовой системы координат х,, хг , х5 ; Р - гидродинамическое давление; g - динамическое возвышение уровня водоема; р , Т ,S - плотность, температура и соленость воды; I - подводная освещенность.

Б качестве компонент химико-биологического комплекса будем рассмат» ривать массы находящегося в водной среде косного, биокосного и-загрязняющего вещества, биомассы продуцентов,консументов и деструкторов:F -суммарный фитопланктон; F¿(¿=/,2,3) - экологически однородные группы фитопланктона; Z - суммарный зоопланктон; 2.j(j=l,2) - экологически однородные группы зоопланктона; В - бактериопланктон, осуществляющий ферментативный гидролиз детрита; Рк ,NPK , WP^ - биомасса,

численность и индивидуальный вес экологически однородных групп рыб; 5п(п= 1,Z) - экологически однородные группы бентоса; i? , Dji ,Dc -суммарный, лобильный у стойкий детрит; С , N , Р - углерод, азот и фосфор, входящие в сослав растворенных в воде органических веществ; NH4,N02, N05 - аммонийный, нитритный и нитратный азот; PO¿, - фосфор фосфатов; COZ- углерод углекислоты; OZ - растворенный молекулярный кислород; X - суммарное зольное вещество; flF¿ , fl2¿ , ПВ ,ПРК , ПБП -загрязняющее вещество, накапливающееся в модельных компонентах биоценоза; [1D ,П - загрязняющее вещество, содержащееся в детрите и растворенное в воде.

Опираясь на опыт глобального моделирования, в качестве компонент социально-экономического комплекса будем рассматривать: Р,, , P¿ , P/¡ - численности населения в возрастных группах: 0-14, 15-44, 45-64, старше 65 лет соответственно; K¡ , Kg , Кр - основные фонды промышленности, сферы сервисного обслуживания, сельского хозяйства;/? - нево-зобновляемые природные ресурсы.

Модель физико-динашческого комплекса. Физические процессы оказывают стимулирующее или угнетающее влияние на продукционный и деструк-даонный циклы в экосистеме. Главнейшими из них являются процессы,

определяющие световой и термический режимы вод и их плотностную стратификацию. Динамические процессы определяют механическое перемещение взвешенных и растворенных субстанций по акватории водоема. ЗетроЕие, бароградиентные, стоковые и плотностные течения создают на акватории транзитные, застойные и фронтальные зоны, высокопродуктивные зонк апвелинга и т.д.

Физические и динамические процессы тесно связаны между собой и образуют единую гидротермодинамическую систему (Каменкович, 1973). Моделирование этой системы осуществляется путем численного решения уравнений движения, неразрывности, состояния, турбулентной дифаузи;: тепла и соли с соответствующими начальными и граничными условиям:. В теории течений такая модель известна под названием "прогностической" (Саркисян, 1977). Но это очень сложная для практической реалпзацп:: вычислительная задача. Поэтому при имитации весенне-летнего цикла вития пелагической экосистемы Северного коря для расчета трехмерньх полей течений использована менее сложная "диагностическая модель" (Сергеев и соавт., 1979, 1981, 1982):

¿и, _ / эр п .. а * эй, . ..

Л/2 _ /ЭР /,,.<? А Юл. /, эр _ „„

^ -Я (I)

эи, + аи^ + _0

Эх, дх2 дх3

где у>0 - средняя плотность воды; Д- -параметр Кориолиса; д. - ускорение силы тяжести; Ан , А^ - кинематические характеристики вертикальной и горизвнтальной турбулентной вязкости; л - двумерный оператор Лапласа; р - плотность воды. При решении гидродинамической 'задачи поле плотности принимается по данным экспедиционной съемки. Граничные условия на поверхности водоема при1) приняты в виде:

где: г - вектор тангенциального напряжения ветра; Ра - атмосферное давление.

На"твердых"участках береговой границы - стенки и на дне бассейна ставятся условия прилипания, а на "жидких" - условия первого рода.

Поле температуры расчитывается путем решения краевой задачи для уравнения адвективного переноса и турбулентной диффузии тепла с гра-

ничными условиями первого рода на "жидких". границах и: поверхности во^-доема по данным факсимильных карт поверхностной температуры воды и' однородными краевыми условиями второго рода на "твёрдых" границах.

При имитации весенне-летних циклов.развития экосистем оз.Ильмень . и Невской губы приняты однородные плотностные 'модели жидкости. Линейная гидродинамическая модель циркуляции вод.в.этом'случае записывается в виде:

¿4 _ ^ и, = -д + А- V \AiAU, ^ * * * ах " ь

ilk +€ки1=.$Ш at 1 * дхг

д л ■ эи,

а* »н дх3

э л эиг

**3 »и ах3

+Аь л иг

3Ui + эи^ + эи^ _0

дх, дхг Эх3

н У

(3)

If А^-0

Граничные условия для системы.(3). такие же, как для системы (I) за исключением Р = Ра = const.. Поля температуры воды приняты по данным наблюдений.

Для реализации на ЭВМ гидродинамических моделей для бассейнов с переменной глубиной возникают дополнительные сложности, связанные с методикой численного интегрирования'систем дафференциальных уравненй Задача упрощается- при переходе к новой прямоугольной системе координат, "спрямляющей" дно бассейна:.

f=t ■ Jr.(/) = xi ; х<г> = хг

(4)

Применение такого■координатного преобразования не изменяет физического мЛнсла задачи, решаемой с учетом реальной орографии дна бассейна. ;

Имитационное моделирование развития экосистемы - по определению . задача нестационарная. Поэтому для имитации циркуляции вод.б бассей- • не необходимо использовать нестационарную гидродинамическую модель. Однако при этом нельзя не учитывать масштабы изучаемых процессов. При моделировании весенне-летнего цикла развития экосистемы в явном виде учитываются только мезомасштабные биохимические обменные процессы, определяющие внутрисезонную и внутригодовую изменчивость био- . масс и концентраций. Очевидно, что гидродинамические модели должны

обеспечивать расчет явлений и процессов такого же масштаба.

В проточных озерах и эстуариях преобладающим типом движения вод являются ветровая и стоковая циркуляция. Течения, индуцируете речным стоком, относительно стабильны. Для них характерна внутригодовая изменчивость, связанная с развитием паводковых и меженных явлений. Пространственно-временная изменчивость ветровых и связанных с ними градиентных течений имеет синоптический масштаб, измеряе:.шй часами и сутками. Очевидно, что для приведения результатов моделирования ветровой и градиентной циркуляции к единому масштабу изучаемых явлений необходима организация статистической процедуры., типа вычисления тренда. Однако, возможен к другой способ решения этой задачи.

Использованная в работе методика численного интегрирования уравнений гидродинамики позволяет в зависимости от сшсловой постановки задачи реализовать по единому алгоритму как нестационарные, так и стационарные гидродинамические модели. Ъ последнем случае врег.я выполняет роль формального параметра итерационной процедуры. В диссертации реализована идея Г.И.барчука (1982) об оценке величины ^стационарного переноса путем применения оператора осреднения к серии стационарных циркуляционных задач Эта процедура позволила получить схемы статистически взвешенных для месячных временных интервалов ветровых течений в оз.Ильмень и Невской губе. При этом в качестве весовой функции в операторе осреднения использованы вероятности встречаемости элементов алфавита классов ветрового режима.

Линейность постановки гидродинамической задачи (3) о ветровой и стоковой циркуляции вод позволила получить ежемесячные схемы суммарных течений как суперпозиции стоковой и ветровой составляющих.

При моделировании экосистем водоемов считается, что компоненты физико-динамического комплекса оказывают влияние на химико-биологические субстанции, но сами от них не зависят. Такая гипотеза позволяет осуществлять моделирование развития экосистемы в два этапа. На первом этапе в результате решения гидродинамических задач определяются векторные поля течений в водоёме на всём временном интервале моделирования. На втором этапе реализуется модель химико-биологического комплекса экосистемы при известном физико-динамическом фоне.

Модели химико-биологического комплекса. Пространственно-неоднородная модель этого комплекса для экосистемы пелагиали Северного моря сформулирована в виде системы уравнений турбулентной диффузии неконсервативных биологических и химических компонент:

за

щ = г1 Т.1, Ра)

(5)

где

- скорости процессов массообмена между компонентами биоценоза и биотопа; А^ ^ - коэффициенты турбулентной диффузии компонент; -скорость гравитационного осаждения взвешенных субстанций; С - вектор-функция биокасс и концентраций компонент химико-биологического комплекса, не обладающих вксокой двигательной активностью.

На поверхности водоёма для всех компонент химико-биологического комплекса, кроме растворенных в воде газов, задаются однородные граничное условия второго рода. Лля кислорода или углекислоты - неоднородные граничные условия второго рода. На береговой границе и дне бассейна ставятся условия первого или второго рода. На "жидких" границах-условия первого рода.

Трехмерная пространстЕенно-неоднородная модель часто оказызается слишком сложной для реализации. В таких мелководных водоёмах как оз, '/льмень и Невская губа вертикальное распределение компонент биоценоза и биотопа в первом приближении можно считать однородным.Модель химико-биологического комплекса (5) в этом случае переходит в двумерную по пространственны;,'! координатам модель, в которой оператор Ь определяется выражением:

Х-1 дХх, Х=1 ^сс

где и 1 , иг - осредненные по глубине составляющие вектора скорости течения.

Предполагая однороднозть пространственной дифференциации экосистемы по дву»; горизонтальны:.: направлениям, можно перейти к пространственно-неоднородной по Бертик.\'.гк модели. Такая модель экосистемы реализована для восточной части Финского залива /пролив Бьеркезунд/.

Б предположении об однородности экосистемы по трем пространственны:,; координатам система уравнений с частными производными (5) вырождается в систему обыкновенных дифференциальных уравнений /точечную модель/:

&.=у.(±,С,Т,1,Ра) (8)

Такие модели реализованы для экологических систем оз.Ильмень и Невской губы.

Гипотеза о локальной однородности экосистемы приводит к резервуар-ной модели, в которой смежные резервуары потоками пространственного переноса вещества связаны друг с другом. Двухрезервуарная по верти-

кальной координате модель реализована для восточной части Финского залива /пролив Еьеркезунд/. Трехрезервуарнке модели построены для абстрактных "репрезентативных" экосистем водоёмов СССР и Санкт-Летербургс-кого региона.

Важнейшим этапом формулировки моделей хи:жко-биологического ко:л-лекса является определение правых частей систем уравнений (5) ,(6) , ответственных за скорости процессов массообмена между компонента™ биоценоза и биотопа. Для всех рассматриваемых в -иссертации моделей решение этой ключевой задачи осуществлялось по едино:: методике на основе уравнений баланса вещества в водной экосистеме.

Уравнения баланса составлены на основе линейных диаграмм потокое вещества, аналогичнгх по смыслу диаграммам переноса энергии по тропической цепи Линдемана (1943) - Одутла (1971). Совместно рассматриваются круговороты углеродаСС,), азота (Л/), фосфора (Р) и вещества "сухого остатка" СХ). Принята гипотеза о постоянстве химического состава компонент биоценоза и четрита. Скорости биохжллческих циклов отдельных элементов синхронизированы в соответствии со стехиокетрическим составом, т.е. отношением С : N : Р : X в сухом Бесе компонент биоценоза. Считается, -но в таких отношениях водоросли и бактерии потребляют углерод, азот, фосфор и вещество X , содержащееся в воде, на строительство своих клеток. Предполагается, что в продуктах экологического метаболизма к отмерших организмах углерод, азот, фосфор и вещество X присутствуют в тех же отношениях.

При численном интегрировании чистемы (5) использованы идеи метода расщепления (;..ар гук, 1967, 1982). Проиллюстрируем применение этого метода на примере двумерной пространственно-неоднородной модели экосистемы Невской губы. Схема расщепления уравнений (5) на временном интервале^-, ] вьтлядит следующим образом. На первом этапе решается совокупность однородных уравнений: ЭС^*^3 1/

+иГ/*=о, С (е)

где А - дифференциальный оператор, определяемый выражением (7). Надстрочными дробными индексами снабжены вспомогательные функции, вводимые на этапах расщепления исходной задачи. Уравнения (9) решаются с граничными условиями С?= С;\ и начальными условиям: ¿ + , Г'(+Л ф 1г Чг

Ч (VV = Ч' ( V / • Так как системная взаимосвязь между уравнениям исходной задачи ( 5 ) осуществляется только посредством функции ^¿(±,х^-,С„Сг,...,сп,Т11,Ра...), то однородные уравнения (9) являются независимыми друг от друга. На втором этапе решается система уравнений локального массообмена между компонентами в процессе биохимичес-

ких превращений вещества: с начальными условиями:

Окончательное решение системы уравнений (5) на шаге определяется равенством:

Модели социально-экономического комплекса. Социально-экономические системы относятся к классу систем с отчетливо выраженной иерархической структурой, в которых функционирование подсистем нижних уровней иерархии обуславливается развитием подсистем более высоких уровней и всей системы в целом. В теории систем (ГЛесарович и соавт., 1973) это свойство определяется как "приоритет действия подсистем верхнего уровня". Действительно, вычленение одного региона и конструирование для него имитационной модеди вне связи со страной в целом заведомо обречено на неудачу. Поэтому в работе рассматриваются два класса моделей:

- имитационные модели социально-экологической, системы страны /СССР/-. Такие модели будем называть субглобалъными;

- имитационные модели социально-экологической системы региона, города, области. Такие модели будем называть региональными.

Для упрощения задачи положим, что между системой страны и системой региона в явном виде существует только прямая связь. Социально-экологическая система страны оказывает влияние на систему региона, но сама от неё не зависит. Заке-ли, что в неявном виде обратная связь тоже существует, поскольку в.и-ганЕоныл модель социально-экономической системы страны включает и себя систему региона /города, области/.

Модель субглобальной системы реализована в двух модификациях.

Первая модификация предназначена для имитации развития социально-экономической системы бывшего СССР в целом и представляет собой пространственно-однородную имитационную модель. Она выглядит как симбиоз глобальных моделей развития "Мир-2" и "Мир-3". Однако, это сходство только внешнее, так как многие функциональные зависимости, отражающие интенсивности демографических и экономических процессов, определены по данным государственной статистики СССР. Модель состоит из двух секторов: демографического и экономического.Уравнения демографического сектора записываются в виде:

Ж = ГоргвР~р^и "къ * ~ Рг 1>1-г ~зо рг ^ У2

<п)

где Вр - интенсивность рождаемости населения; , -

интенсивности смертности населения в возрастных группах 0-14, 15-44, 45-64, старше 65 лет; V, , ^ , >4- скорости изменения численности населения за счет геополитических факторов. Уравнения экономического сектора имеют вид:

¿Кх _ г тг Кг ¿Кб _

м Г5

<1£-_(Кр)г_СКр)1 (12)

ле,

сИ ' I

где I - чистая продукция промышленности; , С}3 - доли инвестиций, направляемых в промышленность и сферу сервисного обслуживания; С, С2 - коэффициенты фондоотдачи в промышленности и сфере обслуживания;

- время отмирания основных фондов промышленных и сервисных предприятий; (Кр)г~ скорость капиталовложений в сельское хозяйство; {Кр)]- скорость выбытия основных фондов сельского хозяйства; -добыча невозобновляемых /топливных/ природных ресурсов на душу населения; Р - общая численность населения.

Вторая модификация субглобальной модели предназначена для имитации динамики социально-экономических систем городов и сельской местности на территории бывшего СССР.Это модель резервуарного /блочного/ типа. Здин из её блоков предназначен для моделирования демографической обстановки в городах, а другой - в сельской местности. В каждом блоке реализуются уравнения демографического сектора (II), дополненные слагаемыми, ответственными за миграции населения типа "село-город". Отдельным блоком оформлены уравнения экономического сектора (12). 1родукцшз промышленности, сферы сервисного обслуживания и сельского хозяйства, поступающая в распоряжение городского и сельского населе-шя, задаётся в виде долей от продукции соответствующих отраслей хозяйства страны.

Модели региональных социально-экономических систем г.Санкт-Петер-Зурга и области также построены по блочному принципу. Каждая из них

сооти^. из двух блоков. Первый блок представляет собой субглобальную модель социально-экономической системы страны. Б нем реализуются уравнения демографического (II) и экономического (12) секторов. Второй блок предназначен для моделирования демографической обстановки в регионе /в г. Санкт-Петербурге или в области/. В нем реализуются уравнения демографического сектора (II), дополненные слагаемыми, имитирующими миграцию населения. При этом продукция промышленности, сферы обслуживания и сельского хозяйства, поступающая в распоряжение населения региона, задается в виде долей от продукции соответствующих отраслей хозяйства страны.

Модели социально-экологических систем. При имитации развития со—-циально-экологичеоких систем страны и региона резервуарнке модели химико-биологического и социально-экономического комплексов объединяются в единую систему (Рис.1).

В дополнительном пояснении нуждается лишь организация моделей природных подсистем. Такие модели построены для абстрактных "репрезентативных" водоемов с глубинами и климатическими характеристиками среды, полученными путем осреднения соответствующих показателей для "ключе-вых"водоемов. Для территории бывшего СССР принято II таких водоемов. Для Санкт-Петербурга "ключевым" водоемом считается приустьевая зона Невской губы, а для области - южная часть Ладожского озера. Каждая из моделей водных экосистем состоит из трёх блоков. Первый блок предназначен для имитации экологических процессов в поверхностном слое водоема, второй - в наибольшем по толщине промежуточном слое и третий -в придонном слое.

Социально-экономические системы оказывают влияние на природные экосистемы посредством функции Z , характеризующей загрязнение водоёмов. Степень загрязнения зависит от годового объема чистой продукции промышленности I :

Z(I) = al В (и)

где а , В - коэффициенты уравнений регрессии.

С помощью эмпирических зависимостей осуществляется переход от обобщенной функции загрязнения Z к антропогенным нагрузкам на конкретные компоненты биотопа водной экосистемы. Увеличивающаяся за счет антропогенных стоков концентрация компонент биотопа включается в круговорот вещества в экосистеме. Модель химико-биологического комплекса имитирует процессы перераспределения вещества между компонентами биотопа и биоценоза, повышение трофического статуса водоема, ухудшение качества его вод.

Ответная реакция природных экосистем на увеличение антропогенных нагрузок оценивается в модели по изменению среднегодовой биомассы или продукции компонент биоценоза. При этом в качестве критерия используется индекс трофности -2 . Полученная таким образом оценка загрязнения, окружающей среды применяется в модели ооциально-экономческого комплекса в качестве одного из аргументов при определении ожидаемой при рождении продолжительности жизни населения, смертности в различных возрастных группах, рождаемости населения, продуктивности сельскохозяйственного производства.

В соответствии с принципом приоритетного действия подсистемы верхнего иерархического уровня нотация развития социально-экологической системы региона осуществляется в два последовательных этапа: вначале решается задача для страны, затем - для региона.

Экспериментальная информационно-экологическая система "Экология водоемов" состоит из 4 подсистем: фактографической информационно-поисковой системы /ФИПС/; автоматизированной системы обработки данных экспериментов /АСОДЭ/; систем моделирования физико-динамического /ГИДРО/ и химико-биологического /ХНД21/ комплексов.

ФИПС обеспечивает накопление и хранение в банке данных результатов экспедиционных наблюдений, получение справочной информации об изученности водоемов и отбор фактической информации, необходимой для моделирования экосистем. АСОДЭ предназначена для формирования цифровых моделей полей экологических характеритиик, статистической обработки, табулирования, графического оформления и картирования полей характеристик. Системы ПЩРО и ХИМБИ служат для численного интегрирования и систем уравнений гидродинамики и турбулентной диффузии неконсерватив-нкх биологических и химических субстанций в сеточных областях произвольной конфигурации, аппроксимирующих береговую линию и орографию дна реальных водоёмов.

Ш. Интенсивности социально-экономических процессов.

Входящие в правые части уравнений (II),(12) интенсивности рождаемости и смертности населения, роста и отмирания основных производственных и непроизводственных фондов, добычи природных ресурсов являются сложными нелинейными функциями различных демографических, экономических и экологических факторов. Эти функции отражают исторически складывавшуюся в стране и регионе демографическую обстановку, централизованный, плановых способ развития производства и сферы обслуживания населения. К ним относятся: 1

I. Желаемая суммарная рождаемость, желаемый размер семьи; функция

влияния детской смертности на желаемую рождаемость; социально-экономическая норма размера семьи; ответ семьи на социально-экономическую норму; степень эффективности контроля над рождаемостью; степень необходимости такого контроля и т.д.

2,-Ожидаемая при рождении продолжительность жизни населения; функции влияния питания, здравоохранения, загрязнения окружающей среды и промышленного развития страны /региона/ на ожидаемую продолжительност: жизни; уровни питания и медицинских услуг на душу населения; уровень загрязнения окружающей среды; интенсивности миграций населения и т.д.

3. Чистая продукция промышленности; коэффициент фондоотдач!,; доля сокращения выпуска промышленной продукции ври нехватке рабочей силы; степень удовлетворения спроса на рабочую силу; уровни промышленного производства, сервисного обслуживания и сельскохозяйственного производства на душу населения; добыча невозобновляемнх природных ресурсов; доли инвестиций, направляемых в промышленность, сферу обслуживания, сельское хозяйство; время отмирания основных фондов предприятий; продукция предприятий сервисного обслуживания; необходимый уровень услуг на душу населения; темп капиталовложений в сельское хозяйство; годовое производство, пищи; уровень питания населения и т.д.

Всего для определения интенсивностей демографических и экономических процессов в пространственно-однородной модели социально-экономической системы бывшего СССР используется свыше 100 эмпирических функций, вспомогательных дифференциальных уравнений, алгебраических соотношений и констант. В резервуарных моделях социально-экологических систем СССР и Санкт-Петербургского региона их количество превышает 150.

Информация, необходимая для определения интенсивностей социально-экономических процессов, достаточно специфична. В справочной литература в требующейся форме она часто не приводится или дается в неполном виде, с большими разрывами во времени. В таких случаях использовались косвенные показатели, методы пересчета, линейная интерполяция и т.д. Поэтому приводимые в работе демографические и экономические показатели следует рассматривать как приближенные, оценочные характеристики.

1У. Интенсивности процессов массообмена в водных экосистемах.

Для каждого конкретного водоема практически невозможно выполнить широкий комплекс тонких экспериментальных гидробиологических и гидрохимических исследований, необходимых для определения интенсивностей обменных процессов в экосистеме. Поэтому эмпирические зависимости,

подученные различными авторами,в разные годы,-для разных' водоемов,' при • .холится считать-"универсальными". -' ' . ■

] В имитационных' моделях экосистем водоемов формализованы следующие процессы.обмена. веществом:

I•■Первичный биосинтез водорослей. Интенсивность этого процесса рассматривается как многофакторная фунрцая, зависящая - от системных и внесистемных-компонент; /V = ^ (Щ,РОц,Й, Т,1, рН). Совокупное влияние факторов на процесс первичного биосинтеза учитывз-- '. ется в соответствии с Принципом Мйтчерлиха (Хит;-1972). При этом влия-' ние света, температуры и биогенных элементов определяется по'формулам Эппли, Стилла и'Члихаэлиса-Ментен. Влияние токсикантов /ртути-, свинца и кадмия/ на скорость роста водорослей-учитывалось по многофакторным зависимостям, полученным Т.З.Замараевой и А.А.Рудковой (1985). При формализации процесса изъятия биогенных элементов и токсикантов из • среды считается, что скорость изъятия-веществ пропорциональна скорости ; валового первичного продуцирования..

2. Выедание и ассимиляция пищи зоопланктоном. Скорость фильтрации воды эоопланктерами определяется Ж виде .многофакторной функции =

Й? В,1>л,1)с) , учитывающей пороговые значения концентраций

пищи. Скорость ассимиляции пищи зависит от усвояемости пищевых компо- • . нент. Моделируются процессы поступления в среду твердых и жидких отбросов пищи, аккумуляции загрязняющей, примеси, в теле зоопланктеров.

3. Интенсивность роста. бакт.ерий-сапрофитов в'модели-определяется температурой воды к"количеством детрита.

4. Ассимиляция пищи рыбами-. Процесс-питания рыб формализуется с помощью функции рациона. При- этом-максимальный рацион определяется как функция индивидуального веса и температуры среды. При расчете реального рациона используется уравнение Ивлева 1 модификации, учитывающей "критическую", "поддерживающую'' и ."шрого1уи" концентрации .пищи. Ассимиляция пищи .рыбами определяется с учет*м усвояемости корма.. ..лделиру- . ется поступление в среду неусвоенной пици и накопление втеле рыб за- ■ грязняющей примеси.

5. Ассимиляция пищи - ншиюсками и- олигохетами.. Скорость фильтрации воды моллюсками зависит от их.веса, /температуры воды (Алимов, 1981) и доступности пищи. Отбрасываемые моллюсками пищевые остатки поступают в. среду в виде твердых остатков и псевдофекалий. Ассимиляция-пищи годе-лируется с учетом её усвояемости. Процесс питания олигохет-моделируется с помощью функции рациона, зависящего от веса-организмов, температура воды, содержания кислорода и концентрации пищи.

6. Траты на обмен компонент' биоценоза определяются интенсивностями ■

выделения в среду экскретируемнх ассимилянтов / С,Ы,Р, К/Нц , РОц /. При этом учитываются процессы поглощения кислорода и выделения углекислоты. Траты на дыхание у фитопланктона зависят от освещенности и составляют от 25 до 50> от общей продукции водорослей. Интенсивность трат на обмен у зоопланктеров, бентосных организмов и рыб зависит от тешературк воды и веса организмов (Сущеня, 1972; Винберг, 1976;Али-мов, 1981). Моделируются ввделения загрязняющей примеси в среду в процессе трат на обмен.

7. Естественная смертность компонент биоценоза. Интенсивность этого лроцесса у водорослей рассматривается как многофакторная зависимость 5р = Рз (.^гР^Ь 1 ЫОз, СОг). Интенсивность естественно ной смертности бактерий зависит от температуры воды. Для остальных компонент биоценоза иетенсивностк естественной смертности принимаются постоянными.

8. Деструкция взвешенного органического вещества в модели определяется интенсивностью внеклеточного бактериального гидролиза детрита.

9. Минерализация растворенных органических углерода, фосфора, азота, нитрификация первой и второй стадии описываются реакциями первого порядка, интенсивность которых зависит от температуры воды.

10. Газообмен с атмосферой. Интенсивность газообмена на границе вода-атмос?ера определяется по эмпирическим зависимостям, учитывающим влияние температуры, аткосгерного давления, скорости ветра, содержания газов в воде и наличия нефтяной пленки.

11. Вертикальное перемешивание и гравитационное осаждение взвесей. Е резервуарных моделях вертикальное перемешивание учитывается параметрически и зависит от коэффициентов турбулентной диффузии и разности концентраций субстанций в близлежащих резервуарах. Скорость гравитационного осаждения зависит от температуры или принимается постоянной величиной.

12. Учет антропогенных нагрузок осуществляется различными способами: изменением начальных концентраций компонент; заданием постоянных или переменных во времени источников в.правых частях дифференциальных уравнений и т.д.

. У. Пространственно-однородные и резервуарные'модели.

Моделирование типичного для умеренной климатической зоны годового цикла развития водной экосистемы. Задачи решались на пространственно-однородной и двухрезервуарной моделях с целью определения чувствительности алгоритмов к изменениям интенсивностей: первичного биосинтеза, бактериального гидролиза, фильтрации воды зоопланктерами, есте-

ственного отмирания фито-, зоо- и бактериопланктона, минерализации растворенной органики, газообмена с атмосферой. Численные эксперимент! показали, что при полутора- двукратном увеличении или уменьшении иктен-сивностей процессов массооймена система не выходит на критические режимы, после которых следует её разрушение. Поведение системы согласуется с существующим качественными представлениями об ожидаемом ее отклике на осуществляете воздействия /усиление или ослабление эвтро-фикации , самоочищающей способности, аэрации вод и т.д./. Таким образом, модель обладает свойствами гомеостаза, своеобразной "способность!" к самовыживанию".

Пространственно-однородная модель экосистемы Невской губы. Процедура идентификации модели проводилась путем многократного решения к коррекции задач о годовом цикле функционирования экосистемы в период с 1.01 по 31.12.1981 г. При реализации верификационной процедуры получено непрерывное решение задачи на трехлетнем временном интервале(1981-1983 гг.) без введения в модель каких-либо коррекции. Результаты моделирования в большинстве случаев укладываются в диапазоны нахождения генеральных средних, рассчитанных по данным наблюдений (Рис.2;.

Для пяти районов эстуария выполнена серия имитаций годового цикла развития экосистемы. Установлено, что основным фактором, лимитирующим увеличение первичной продукции в эстуарии,является сос;ор. " наибольшей степени его влияние сказывается у Лахты и Ломоносова, 'торы:-: по значению лимитирующи;: фактором являются световые услоьия. Сии, в основ ном, определяют с;:о_лсть первичного продуцирования органики б юмном районе Невской губы. По результатам моделирования оценена средняя фильтрационная активность зоопланктона. Быстрее всего вода осветляется зоопланктоном в июле. Степень самоочищения воды в это время снижается для районов эстуария в следующей последовательности: Ломокосоз — Сест-рорецк—Зеленогорск — Стрельна — Лахта. Установлено, что в районах Зеленогорска и Сестрорецка экосистема в большей отмени ;.риду:;ирует органическое вещество, чем его разрушает. Наоборот, в :а,.оньх /ахты, Ломоносова и Стрельны деструкция превышает первичную

Моделирование экосистемы восточной части Финского залива.Создана тридц&тикомвонентная дзухрезервуарная модель, отражающая двухслойно вертикальную стратификацию вод этого района. Идентификация и верк£::к:.-ция модели выполнены по данным комплексных экологических наблюдении ь проливе Бьеркезунд в 1972-73 гг. Сопоставление модельных значений концентраций и биомасс с данным! наблюдений показывает, что модель достаточно точно воспроизводит характер внутригодовой и межгодовой изменчивости компонент экосистемы. На модели выполнена серия экспериментов

■ .'-.':': по изучению реакции экосистемы на антропогенные нагрузки. Показано,' . . •. . в частности,.'что при полутОрократноы увеличении, концентрации.фосфора'.' "■ ;• '' интегральная .за год продукция.фитопланктона повышается, на 38;«. в верх-.. ■ -. Кем и на-21%.-' в нижнем слое.. Продукционная; способность' зоопланктона • •.' возрастает на 81/» и 46%,. а бактерий - на'37/о и 19>» соответственно.' • .'.Интегральная за год деструкция значительно увеличивается. Это. приводи':! .. к снижению концентрации кислорода .'во всей толще .вод'.на 10/5.. Содержание -'

■ . кислорода-в-нижнем слое:в конце лета падает, до 1\5-2.0, мгО/л.-Здесь •; ..'могут возникнуть-анаэробные условия, хоособетвующие: вторичному'загря--

• " знению -вод.. ' '. • !'.'•'■'.'

' Динамика развития' социально^экологиЧеских систем на территории . - . ' ■• бывшего СССР. Имитация .развития систем.осуществлена на-временном :ин-.'

• • ' терва'ле с .1910- по 2070 гг.' Цри- этом период времени с 1910 по .1988 -гг. .

■ -использован для идентификации-функциональных .связей й .параметров Мо7 •'

• делей по -данным существующей' социально-экономической статистики и эко--

■ логического мониторинга. Прогноз развития /дёградщдаи/. систем дрово- . -.'.дитоя-на временном: интервале. с I988-.no 2070 гг..(Рис.З);

' Показано-, - что .при.' сохранении .существующих темпов' загрязнения' окру- '. ■'.'-жающей; среды' и -доли' расходов-на.оборону .на.уровне 1988 г. на террито-

■ рии'бывшего. СССР произойдет экологическая катастрофа. Ее начало при...." '.дет'ряна 2010-2020 гг. Основные фонды' промышленности, сферы обслужи-;.

■ ; вакля и'.сельского .хозяйства;, составлявшие;в -1990 г. 945, .1192- и 365 ' Млрд.руб. соответственно;, к 2020 г. -возрастут до .2466 , 2909 и.896

: -млрд.руб.- Чистая продукция промышленности на душу населения возрастет 'с .944 руб-до-1400 'руб. К 2020 году'будет израсходовано 63$ невозобно- '

■ вляемых топливных ресурсов, страны. Уровень- питания населения, несмот- .'

■ ря на увеличение основных .фондов сельского хозяйства, будет постепен-' ■

■ но снижаться'с 3.16единиц годового -прожиточного минимума в 1990 г. ■

; '.до'2,69 единиц - в 2020 г. Численность населения .'к этому .времени вый-■ дет на-плато 295 млн.человек. При этом суммарна^'рождаемость останет-. . . ся. на уррвне 1988 г., а' ожидаемая продолжительность жизни населения

'. снизйтоя до' 57 лет за счет усиливающегося .загрязнения окружающей сре- ■

' ' .да

• на 2050г2070 гг; Основные фонда промышленности, сферц обслуживания и. *'-/-.' сельского хозяйства, достигнув максимума в 2030 г., к 2060 г. снизят-

•' ся' до -1910,' 2400 и-955 млрд.руб. соответственно. Промышленное произ-' - .: водство прядет в упадок. К 2060 г. будет израсходовано.90$ первона- . . •: чальных'.запасов невозобновляемых природных ресурсов. ЗА ;15 лет. с 2015 ;

• - по 2030 -гт'. чистая продукция промышленности на душу населения здгаит- . ... ся в два раза и составит 780 руб. Это уровень 1983 г. К 2060 г. она

снизится еще в 3 раза и составит 220 руб на человека. Уровень питания ■ населения будет постепенно снижаться до 1.87 единиц годового прожиточного минимума в 2060 г. Численность населения с 2030 г. по 2060 г. уменьшится с 289 млн до 220 млн человек, а ожидаемая продожительность жизни - с 53 до 28 лет. Катастрофическое падение численности произой- ' дет в следующее десятилетие. К 2070 г. в результате воздействия токсикантов и недостатка продуктов питания численность жителей на территории бывшего СССР сократится до 120 млн.человек.

Имитация развития социально-экологических систем городских поселений показывает, что экологический кризис здесь уже начался и при сохранении существующих темпов загрязнения окружающей среды будет стремительно развиваться. Коэффициент суммарной рождаемости до 2010 г. стабилизируется на современно;.; уровне.- Ожидаемая при рождении продолжительность жизни городского населения к 2000 г. снизится до 45 лет. Численность горожан при этом будет по-прежнему постепенно возрастать. К 2010 г. она достигнет своего максимума - 213 клн.человек. Пик.экологической катастрофы в городских поселениях,по данным расчетов, наступит во втором- третьем десятилетиях XXI века. К 2020 г. средняя ожидаемая при рождении продолжительность жизни горожан снизится до 2829 лет. Коэффициент суммарной рождаемости за 5 лет /с 2010-по 2015 г./ снизится с 2.5 до I.I. Численность городского населения с 2010 г. на-'чнег уменьшаться и к 2070 г. снизится до 89 млн.человек. Особенно резко будет снижаться численность детской возрастной группы.

Стабилизация загрязнения окружающей среды и доли расходов на оборону страны на уровне 1988 г. позволит предотвратить экологическую катастрофу в середине XXI века. Численность населения на территории бывшего СССР при развитии системы по этому сценарию в период с 1988 по 2070 гг. будет постоянно расти. К 2040 г. она достигнет 375, а к 2070 г. - 614 млн.человек. Рождаемость стабилизируется на уровне 1980 г. Средняя ожидаемая при рождении продолжительность жизни увеличится до 91 года. В 2010- 2020 гг. на территории бывшего СССР начнутся кардинальные изменения в ориентации производственной сферы. Индустриально развития страна за 10-20 лет трансформируется в аграрно-индустриальную, а затем - в аграрную (Рис.4).

Стабилизационные меры позволят существенно ослабить экологический кризис и в городских поселениях. Желаемая и фактическая рождаемости здесь к 2010 г.сравняются по величине и далее останутся на уровне 2.5 Ожидаемая при рождении продолжительность жизни в период с 1990 по 2010 гг. сократится с 63 до 46 лет. В 2015-2040 гг. она будет составлять около 50 лет, а затем вновь начнет медленно снижаться. Однако,

численность городского населения,по-прежнему, будет увеличиваться и к 2070 г. достигнет 300 млн.человек.

Динамка развития социально-экологической системы г.Санкт-Петербург . Модельные имитации показывают, что социально-экологическая система города приближается к критическому состоянию. При сохранении существовавших в 80-е годы темпов загрязнения окружающей среды ожидаемая при рождении продолжительность жизни населения Санкт-Петербурга сократится к 2000 г. до 39 лет. 3 2010 г. она будет составлять 28 лет и далее стабилизируетчя на это;., уровне. Численность населения, достиг нув своего максимума в 5 млн.человек в 1230-95 гг., далее начнет сокращаться. К 2010 г. она уменьшится до 4.4 млн., к 2030- до 3.6 млн., а к 2070 г. - до 2.5 млн. человек С Рис.5).

Стабилизация загрязнения окружающей среды в Санкт-Петербурге на уроьне 1988 г. существенно улучшит прогноз развития социально-экологической обстановки ь городе. Рождаемость населения в этом случае останется на современном уровне, а ожидаемая при рождении продолжительность жизни к 2020 г. увеличится до 83 лет. Численность населения будет ьоз;лстать. В 2030 г. она достигнет 6.2 млн.человек и стабилизируется на это:., уровне. Произойдет дальнейшая деформация возрастной пирамиды населения. Доля жителей в возрасте, старше 65 лет к 2030 г. будет составлять 27;» (Рис.6).

Анализ имитаций развития социально-экологических систем страны к Санкт-Петербургского региона по различным сцснар- приводит к следующему заключению. Средства, высвобождаемые з; ^ет снижения доли расходов на оборону страны, должны расходоваться нз на расширение производства, а на природоохранные мероприятия. Последовательное проведение такой финансовой политики позволит предотвратить экологическую катастрофу на территории бывшего СССР.

У1. Пространственно-неоднородные имитационные модели.

Моделирование пелагической экосистемы Северного моря. Четырехмерная модель экосистемы реализована в двух модификациях. В первой, упрО' ценной кодификации компонентами являются выраженные в фосфорном эквиваленте биомассы фито- и зоопланктона, концентрации органического фосфора и фосфатов. Во второй модификации модели фосфорного обмена рассматриваются фито- и зооценозы, дифференцированные на экологически однородные группы. Задачи решались в нерегулярной сеточной области, содержащей 1032 узловые точки. Временной интервал коделированкя - I месяц для первой модификации модели и 4 месяца - для второй модификации. Дискретность моделирования по времени - I сутки. Модельные

имитации удовлетворительно воспроизводят основные особенности пространственно-временной изменчивости компонент экосистемы, выявленные в процессе экспедиционных исследований: динамику развития сообществ фито- и зоопланктона в весенне-летний период, сезонную изменчивость концентраций органического фосфора и фосфатов, образование зон повышенной продуктивности в районах апвеллингов и т.д.

Моделирование экосистемы оз.Ильмень. Численное интегрирование уравнений гидродинамики и турбулентной диффузии неконсервативных субстанций осуществляется в трех сеточных областях, аппроксимирующих акваторию озера в различные фазы его разлива. На модели изучены особенности ветровой и стоковой циркуляции вод в различные месяцы года. Показано, что в бассейне Большого Ильменя центры циклонических и анти циклонических вихрей, возникающих при Еетрах различных направлений, группируются в двух локальных районах на северо-западе и юго-востоке озерй. В центральной части озера существует устойчивая зона "сильных течений. В бассейне Среднего Ильменя группировка центров вихревых образований и зона устойчивых течений выражены существенно слабее. В бассейне Палого Ильменя пространственная группировка вихрей практически отсутствует. Выполненные имитации хорошо воспроизводят последовательно сменяющие друг друга вспышки фито-, зоо- и бактериопланктона, изъятие биогенных элементов на нужды биосинтеза и последующее их накопление, связанное с минерализацией органики. Реализация модели впервые позволила получить количественные оценки пространственной неоднородности развития озерной экосистемы. Показано, что в различных районах весенняя вспышка цветения водорослей наступает не одновременно. Её фазовый сдвиг может быть равным 40-50 суткам. На акватории озера существуют фронтальные зоны, которые отличаются от окружак их районов большими градиентами биотических и абиотических компоне .'.

Моделирование экосистемы Невской губы. Модель имитирует экосистему эстуария в условиях строительства и эксплуатации сооруже'" 1 по защите г. Санкт-Петербурга от наводнений и изменения объем? состава сбрасываемых сточных вод (Рис.7).

При численном' интегрировании систем уравнений иг .ътьзованы три сеточные области, соответствующие различным этапам строительства защитных сооружений: I. дамба отсутствует, 2. построена северная часть, дамбы без водо- и судопропускных ворот, 3. дамба построена полностыо,; водо- и судопропускные ворота открыты. Каждая из сеточных областей содержит 102 узловые точки,.Задачи решаются на пятимесячных временных интервалах /апрель-август/ о шагом, равным I суткам. Анализ мо-

дельных и;.ктаций позволяет сделать выводы:

- Строительство защитных сооружений не вызывает принципиальной перестройки полей биомасс и концентраций компонент экосистемы, что подтверждается данными натурных наблюдении. Однако, это лишь видимый положительный эффект, за которым стоят скрытые от прямого наблюдения отрицательные эффекты.

- Со сторительством дамбы ликвидируется естественная фронтальная зона, в которой происходило смешение существенно различных по своим экологически;.; характеристикам вод Невской губы и восточной части Финского залива. В связи с этим в Невской губе вблизи северного крыла дамбы увеличивается первичная продукция и усиливаются процессы эвтро-фирования вод.. >

- Повышенная мутность вод в губе в условиях значительного антропогенного загрязнения препятствует увеличению первичной продукции. Основным её лимитантом становится свет. Запас биогенных элементов остается невостребованным и выносится в Финский залив.

- Строительство дамбы приводит к снижению самоочищанцей способности экосистемы эстуария. Содержание кислорода в водах губы снижается.

В южной части Невской губы снижается фильтрационная активность зоопла-нктеров. Здесь же во все месяцы, кроме июня, уменьшается суммарная деструкция органического вещества и продукция бактерий-сапрофитов.Это приводиткк загрязнению вод органическими веществами и развиващейся на них патогенной флорой.

- Невостребованные в Невской губе биогенные элементы и органические вещества выносятся в Финский залив в район, примыкавший к курортной зоне Карельского перешейка. Здесь мутность воды существенно ниже, чем в губе и повышенные биогенные нагрузки реализуются в автотроф ном звене экосистемы, вызывая бурное цветение водорослей и эвтрофирование акватории. Ухудшается санитарное состояние пляжей.

- Указанные негативные экологические последствия строительства защитных сооружений сами по себе не могут вызвать экологическую катастрофу в Невской губе. Главную опасность представляет высокий уровень загрязнения сбрасываемых в р.Неву и Невскую губу сточных вод. Его дальнейший рост, как показывают данные модельных имитаций, может привести к полной перестройке экосистемы и существенному ухудшению экологической обстановки в Невской !губе.

Основные публикации по теме диссертации.

Содержание диссертации опубликовано в 43 работах, в том чисде в четырех коллективных монографиях под редакцией автора диссертации.

Основным:! .. kix шляются:

1. Проблема мате: .ьт./ческого моделирования многокомпонентной физи-ко-биологическо. системы моря /Постановка задачи моделирования/. Зестнкк .117 - 1С?:. - .'.-24 - с.114-125.

2. Формулировка :: плакирование натурного эксперимента для моделирования биоакваденоза Северного моря /Доследование структуры и механизмов ■;•' ¿акционирования морских экологических систем: Материалы Всесоюзного се.дшара - Севастополь. Киев: Наукова думка - 1974 - с. 4245.

3. Структура и результаты опытной эксплуатации автоматизированной системы анализа поведения морского биогеоценоза.//Тезисы докладов первого съезда Советских океанологов: биология и химия океана - вып. 2 - М.: Наука - 1977 - с.16-18.

4. Математическое моделирование морских экологических систем. /Под редакцией Ю.Н.Сергеева - Л.: издательство ЛГУ - 1977 - кн.1 -216с.(в соавторстве с Савчуком 0.Л., Кулешом В.Л., Комаровой Т.С.).

5. Математическое моделирование морских экологических систем. /Под редакцией Ю.Н.Сергеева - Л.: издательство ЛГУ - 1977 - кн.2 -432с. (в соавторстве с Круммеле:. Х.Д., Колодочкой A.A., Кулешом В.П., Савчуком О.П.) .

6. Системный анализ поведения морских пелагических биогеоценозов. //Тезисы докладов на Всесоюзной конференции по биологии шельфа: Вопросы общей экологии - ч.1 - Киев, Наукова думка - 1978 - с.9-11.

7. Методические аспекты конструирования имитационных моделей экологических систем //Проблемы охраны окружающей среды - Л." издательство ЛГУ - 1979 - с. 12-20.

8. Принципы организации автоматизированной системы анализа поведения экосистем. //Проблемы охраны окружающей среды - Л.: издательство ЛГУ - I97S - с. 103 - 117 .

9. Моделирование процессов переноса и трансформации вещества в море. / Под редакцией Ю.Н.Сергеева - Л.: издательство ЛГУ - 1979 -296 с. (в соавторстве с Колодочкой A.A., Кулешом В.П., Савчуком О.П.).

10. Анализ и прогноз поведения морских экологических систем //Теоретические вопросы физической и экономической географии Мирового океана: Седьмой съезд ГО СССР - Л.: 1979 - с.65- 76.

11. Автоматизирования система анализа поведения морского биогеоценоза / Под редакцией Ю.Н. Сергеева - Л.: издательство ЛГУ -1981 - 240 с. ( в соавторстве с Колодочкой A.A., Круммелем Х.Д., Кулешом В.П., Савчуком О.П.).

12. Имитационная модель экосистемы Северного моря /Д1атематичес-кое моделирование пелагической экосистем; Северного моря - Калининград: издательство АтлантНКРО - 1982 - с. 3-19 (в соавторстве с Л .К. Грузовым) .

13. Имитационная модель круговорота вещества в водной экосистеме Финского залива. // Географические аспекты изучения Мирового океана. Тезисы докладов УШ съезда ГО СССР - Л.: 1985 - с. 43-45 (в соавторстве с Дмитриевым В.Б., Кулешом В.П.).

14. Принципы построения математической модели экосистемы Невског губы и восточной части Финского залива. // Исследование водной экосистемы Ладожское озеро - река Нева - Невская губа и восточная часть Финского залива - Л.: Гидрометеоиздат - 1988 - с. I05-III.

15. Статистическая модель ветровой циркуляции озера Ильмень //применение методов имитационного моделирования в пресноводной экологии и в рыбохозяйственных исследованиях - Л.: ГОСНИОРХ - 1989 -с. 68-75 (в соавторстве с Кулешом В.П.) .

16. Имитационная пространственно-неоднородная модель водной экосистемы Невской губы // Применение методов имитационного моделирования в пресноводной экологии и в рыбохозяйственных исследованиях -

Ji.:ГОСНИОРХ - 1989 .

17. Моделирование пространственно-неоднородной водной экосистемы озера Ильмень //Охрана окружающей среды от загрязнений промышленными выбросами. ЦБП - Межвузовский сборник научных трудов - Л. - 1990 -с. 80-85 в соавторстве с Кулешом В.П., Бойцовым A.B. .

18. Оценка современного состояния и перспектив эвтрофирования восточной части Финского залива на основе моделирования круговорота вещества в водной экосистеме // Вестник ЛГУ - Л. - №7 -вып.7 - 1990 (в соавторстве с Дмитриевым В.В.).

Пояснения к рисункам.

Обозначения моделируемых компонент приводятся на странице 12 реферата. ВР , Bi - желаемая и фактическая -рождаемости, L. - средне ожидаемая при рождении продолжительность жизни населения.

Точками на рисунке 2 обозначены осредненные данные набла з,тй биомасс и концентраций.

В базовом варианте, сценариях 12 и 15 рис.7 сброс загрязнений Е Невскую губу принят на уровне 19Ы-84 гг. В сценарии 7 сброс за-

л

НАСЕЛЕНИЕ \ -

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ И НЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ

X

щ

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

ТРУДОВЫЕ РЕСУРСЫ

Загрязнение

окружающей

среды

Воздействие окружающей

среды на человека

№

ПРОДУЦЕНТЫ

I

КОНСУМЕНТЫ

ДЕСТРУ КТО РЫ

ВЗВЕШЕННОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

РАСТВОРЕННОЕ ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО

X

БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

АНТРОПОГЕННЫЕ ПОЛЛЮТАНТМ

111 I

аг

1 о

IX

5 <

0 -* "

1 О. т О г ь

в- * §

Рис. 1. Обобщающая блок-схема имитационной модели социально-

-экологической системы урбанизированного РЕГИОНА.

и ■я*

лоа оли

К к к.

1 А-, К 14

* V № а и > м

виутРИГОДОбАЯ И ЫЕЖГОДО&АЯ ИМЧЕНЧИЬОСТЬ КОМПОНЕНТОВ ЬОДНОИ

экосистемы Невской губы по результатам наблюдений и

-.МОДЕЛИРОВАНИЯ:'.

Щ5 ео,г.

Р2

70,1

35, г

75,137,7-

РЗ

6,0

3,0

4в,в

23,3

1910 60 2010 ВО

3,1

4,2

1910 60 20)0 60

Рис.3. Результаты моделирования социально-экологической системы "СССР". ------- натурные данные;

ёанные моделирования; азовый вариант.

Р Р2

Ь РЗ

2Я.П

Рис.4. Результаты моделирования социально-экологической системы "СССР".

------- натурные данные;

- данные моделирования;

Сценарий 2.

Р2

Ь

Р4 В1

Рис.5. Результаты моделирования социально-экологической системы "С-Петербург". ------- натурные данные;

Данные моделирования; азовый вариант.

е,з

3.1

г,*

иг

Р2

РЗ

0,7

1,0

0,5

Р1

</.5

гл

5,0

£,5

аю во го/о во

■V \

В1

то во гою во

Рис.6. Результаты моделирования.социально-экологической системы "Санкт-Петербург". ------- натурные данные;

ёаннае моделирования; ценарий 2.