Глава 9. Моделирование водных экосистем. Комплексный подход (стр. 4 )

Внесение в систему фитопланктона, детрита и неорганической взвеси из р. Невы и вынос этих компонентов через дамбу в Восточную часть Финского залива.

Первым этапом работы модели было определение интенсивности поступления неорганической взвеси со дна Невской губы при известном распределении концентраций по акватории губы, известных схемах течений и переносов и поступлении взвешенных частиц из р. Невы. Был применен обычный градиентный метод поиска минимума функционала вида

( M - M ) Þ min

где M - значения концентрации взвесей по осредненным данным наблюдений за 1982-1984 гг., M - те же значения, полученные в модели.

Следующий этап работы модели заключался в подборе гидробиологических параметров. Прозрачность воды определялась по эмпирической формуле, полученной на материале Невской губы:

T = (в м.)

Значение суточных коэффициентов P/B фитопланктона (т. е. отношение продукции за некоторое время к средней для этого промежутка времени биомассе продуцирующих организмов) бралось по данным исследований ЗИН АН СССР. Первичная продукция полагалась ограниченной только световыми условиями, как как минеральные формы азота и фосфора в губе всегда в избытке.

Эмпирическое соотношение PROD= 1.5*PH*(P/B)*T, полученное на материале Невской губы предполагает, что фотосинтезирующий слой в 1.5 раза превышает то значение, которое определяется прозрачностью. Отмирание фитопланктона задавалось коэффициентом PMORT, а разложение детрита - коэффициентом DESTR.

Эта упрощенная модель экосистемы Невской губы позволила оценить, основываясь на результатах натурных наблюдений, масштабы процессов биотического круговорота вещества в Невской губе и роль внешних источников неорганической взвеси и аллохтонной органики. Небольшая серия экспериментов, проведенных на модели, показала, что изменение общей схемы стоковых течений в губе мало влияет на изменение характеристик экосистемы. Рассматривались, например, варианты перенесения основного потока к северу или к югу от о. Котлин.

Наиболее чувствительной экосистема Невской губы оказалась к замедлению водообмена в губе. В модели это имитировалось снижением коэффициента горизонтальной диффузии, что приводило к существенному росту биомассы фитопланктона в прибрежных районах с сответствующим увеличением концентрации мертвого органического вещества. Естественно, данный результат имеет главным образом качественный характер и для прогностических целей нужна более совершенная модель.

3.2. Модель водопользования для экосистемы “Невская губа”

3.2.1. Методология

В данном разделе на примере единой компьютерной модели сделана попытка обобщить материал, накопленный по программе “Невская губа”, выполняемой Санкт-Петербургским Научным Центром Российской Академии Наук в 1992-1993 годах. Объем этих исследований очень велик, и результирующая система оказалась совершенно недоступной для обычных персональных компьютеров, которыми располагают заинтересованные организации, как по быстродействию, так и по объему памяти. Это обстоятельство побудило к созданию упрощенного варианта, который отражал бы только самые основные черты моделей экологических систем Ладожского озера, Невской губы, восточной части Финского залива и источников поступления загрязнений в воду как в черте города Санкт-Петербурга, так и за его пределами. Ниже (раздел 3.2.2) описаны основные элементы уже работающей компьютерной системы. Создание этой модели важно в методологическом отношении, так как позволяет в приемлемое время провести достаточно обширный круг исследований с тем, чтобы экономно планировать эксперименты с дорогостоящими гидродинамическими моделями Невской губы или Ладожского озера.

В практическом отношении упрощенная модель данной сложной системы позволяет оценить роль отдельных факторов и подсистем для обоснованного планирования сбора материалов, натурных наблюдений и научных экспериментов. Включение в модель экономических и правовых факторов важно с точки зрения обоснованного выбора стратегии природоохранительных органов, например. при назначении плат за выброс в воду загрязняющих веществ.

В теоретическом плане упрощенная модель водопользования достаточно сложной системой позволяет наметить общие пути подхода к управлению системой, в которой критерии эффективности находятся в явном противоречии друг с другом (экономика и экология) и необходимо принятие обоснованного компромиссного решения.

В основу предлагаемой модели положено представление о единстве и взаимосвязанности биологических, химических и гидродинамических процессов в рассматриваемой водной системе, состоящей из большого озера, короткой, но очень многоводной реки, мелководного морского залива со специфическим участком, отгороженным недостроенной в настоящее время дамбой, задуманной как средство борьбы с наводнениями. Неотъемлемую часть этой системы составляет город с пятимиллионным населением, развитой промышленностью и обильными сбросами промышленных и бытовых сточных вод. Ко всему этому следует добавить вполне разумное, но плохо выполняемое на практике природоохранное законодательство и нестабильную экономику и финансовую систему. Сказанное должно подготовить нас к тому, что мы действительно имеем дело со сложной системой, рассмотрение изолированных частей которой малопродуктивно.

3.2.2. Общая компоновка модели

Основная цель этой работы заключается в том, чтобы установить, как те или иные решения природоохранительных органов повлияют на состояние экологических и экономических систем. Главный смысл Закона России об охране окружающей среды (принят 19 декабря 1991г.) заключается в нахождении научно обоснованных сочетаний экологических и экономических интересов. Однако ни Закон, ни пространный комментарий к нему не дают никаких указаний, каким именно образом следует найти компромисс между экологическими требованиями о сохранении чистоты окружающей среды и экономическими требованиями о рентабельности производства. Закон в равной мере отвергает экономический экстремизм, еще не так давно господствовавший в нашей стране, и экологический утопизм, призывающий прекратить всякое воздействие на живую природу. Значит, остается искать компромиссное решение, что далеко не просто.

Остановимся на особенностях алгоритма работы программы, реализующей имитационную модель системы. После уточнения значений параметров, принимаемых по умолчанию, на экране дисплея появляется схематическое изображение водной системы “Ладожское озеро - Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива” (см. рис. 1 выше в разделе 2.3).

Подогнав курсор к символическим изображениям предприятий, которые сливают в воду промышленные отходы, можно при нажатии функциональной клавиши посмотреть принятые по умолчанию и изменить такие характеристики как выход того или иного загрязняющего вещества на единицу продукции, зависимость стоимости очистки от степени извлечения загрязняющих веществ из сточных вод и другие параметры (см. рис.2). В рассматриваемом простейшем варианте модели учитывается только 8 источников загрязнения и только два загрязняющих вещества, условно названных “биоген” и “токсикант” по специфике их действия на биологические объекты, однако и число источников загрязнения и число учитываемых загрязняющих веществ может быть увеличено.

Рис. 2. Объянение в тексте.

Следующим этапом работы программы является установление лимитов сброса каждого загрязняющего вещества каждым источником загрязнения. Кроме того, на этом этапе задается размер платы за сброс в воду единицы загрязняющего вещества каждого типа в пределах установленного лимита и кратность повышения плат за сброс при превышении установленного лимита.

После установления норм природопользования начинается имитация деятельности предприятий, сбрасывающих загрязненые воды. Предполагается, что каждое предприятие само устанавливает степень очистки по каждому загрязнителю, исходя из соображения минимизации разности между выплатами в экологический фонд за сбросы по принятым нормам и затратами на строительство и эксплуатацию очистных сооружений (см. раздел 2.3). Поиск минимума проиводится методом сплошного перебора с дискретностью степени очистки в 0.1. Результаты оптимизации выдаются на дисплей.

Следующий этап работы программы заключается в демонстрации на дисплее структуры ячейки водной экологической системы и в возможности корректировки отдельных ее параметров (см. рис.3). В принятом приближении из элементов экосистемы рассматриваются только фитопланктон, растворенные в воде соединения биогенных элементов и токсикантов, а также взвешенное мертвое органическое вещество - детрит. Из процессов, происходящих в водной экологической системе, в упрощенном варианте имитируются только процесс фотосинтетического образования первичной продукции фитопланктона, процесс отмирания планктонных водорослей (полагается, что на скорость этого процесса может оказывать влияние концентрация токсиканта), процесс бактериального разложения мертвого органического вещества, а также процесс осаждения детрита на дно водоема (см. раздел 2.2).

Рис. 3. Объянение в тексте.

Далее, на следующем этапе работы программы демонстрируется пространственная структура моделируемой системы и возможности коррректировки параметров водообмена. Вся акватория системы “Ладожское озеро - Нева - Невская губа - восточная часть Финского залива” разбита на 12 областей, или ячеек. Ладожское озеро представлено 6 ячейками, Нева - одной, Невская губа - четырьмя, а восточная часть Финского залива - снова одной ячейкой. Внутри каждой ячейки все переменные для системы полагаются константами (рис.4).

Рис. 4. Объянение в тексте.

Связи между ячейками представлены в виде потоков, которые можно изменять в зависимости от моделируемой ситуации (рис.5). Условие непрерывности (соблюдение постоянства объема воды в каждой ячейке) проверяется после каждой корректировки, и результаты проверки выводятся на дисплей в виде сообщения о ячейках, в которых нарушено условие непрерывности.