Глава 9. Моделирование водных экосистем. Комплексный подход (стр. 5 )

Рис. 5. Объянение в тексте.

После установления всех параметров системы начинается имитация реакции экосистемы на заданные воздействия. Процесс происходит с временным шагом в одни сутки и включает в себя гидрохимическую и гидробиологическую часть, перенос компонентов системы между ячейками в соответствии с заданными потоками и поступление загрязняющих веществ в тех количествах, которые были определены в программе оптимизации работы предприятий, сбрасывающих свои отходы в Ладожское озеро, реку Неву или Невскую губу.

Пройдя заданное число шагов, программа выводит конечное состояние системы на дисплей, хотя возможно высвечивание и промежуточных состояний. На этом этапе возможна оценка состояния любой части рассматриваемой системы с точки зрения превышения норм предельно допустимых концентраций по загрязняющим веществам, а также по концентрации фитопланктона и мертвого органического вещества. Это позволяет оценить результаты тех природоохранных мероприятий, которые закладывались в начале работы программы. Подобные варианты имитационных экспериментов можно повторять неограниченное число раз.

4. Концептуальная модель экосистемы Невской губы

На основании информации, содержащейся в банках данных, и результатов предварительного моделирования экосистемы Невской губы (см. раздел 3) разработана и исследована концептуальная модель экосистемы Невской губы. Модель состоит из двух основных блоков: блока модели материальных процессов и блока модели информационных процессов.

4.1. Блок материальных процессов

Исследуемая система Невской губы может быть подразделена на следующие взаимосвязанные части:

рельеф дна, конфигурация берегов и конструкция гидротехнических сооружений;

схема течений, сгонно-нагонных явлений и турбулентной диффузии в водном теле Невской губы и прилегающих к ней частях дельты Невы и восточной части Финского залива;

система источников, переноса и осаждения неорганической взвеси;

система источников, переноса и поглощения, а также обмена с грунтом всевозможных растворенных и взвешенных веществ, оказывающих токсическое действие на человека и гидробионтов Невской губы и Восточной части Финского залива;

экологическая система Невской губы, представленная в самом простейшем случае биомассой фитопланктона, концентрацией мертвого органического вещества и концентрацией биогенов - фосфора и азота, могущих лимитировать развитие фитопланктона.

Интегрированным показателем, являющимся выходом системы, служит качество воды, определяемое по медико-санитарным и иным показателям.

4.2. Блок информационных процессов

Имеется немало сведений в виде карт, промеров и других документов, дающих представление о рельефе дна в Невской губе. Как показал опыт, ошибка ряда данных может достигать нескольких метров и довольно трудно предсказуема. Поэтому вводится понятие модельного рельефа дна, отличие которого от действительного будет тем меньше, чем более тщательно и, следовательно, с большими материальными затратами, будет исследован рельеф Невской губы, чем точнее будут модели переносов донных отложений, чем выше будет дисциплина организаций, проводящих выброс грунта, добычу песка в карьерах и дноуглубительные работы.

Пространственное распределение источников неорганических взвесей и их распространение по акватории тоже не может быть точно известно и тем более предсказано. Поэтому вводится понятие о модельных источниках и модельных концентрациях неорганических взвесей, которые зависят от точности и подробности измерений этой величины, а также от точности модели течений и турбулентных переносов.

Схема течений при различных ветровых условиях, денивиляциях уровня воды и расходе р. Невы также лишь приближенно отражает действительную картину. Степень приближения модельных течений к действительным зависит от качества моделей и затрат на машинное время, требующееся для их реализации. Не последнюю роль играет и качество прогноза метеорологических факторов.

Расхождения между реальными и модельными концентрациями токсических примесей могут быть большими, особенно при залповых выбросах, так как число их может быть очень велико и источники трудно выявляются. С модельным описанием элементов экосистемы дело обстоит еще сложнее, так как тут играет роль правильность наших представлений о скорости фотосинтеза, бактериальной деструкции, осаждении, смертности и выедании водорослей. Приближение модельных величин к действительным зависит от интенсивности и результативности научных исследований в области гидробиологии. Кроме того, точность гидробиологических моделей всегда, особенно в таком сильнопроточном водоеме как Невская губа, связана с точностью гидродинамических моделей, описывающщих транспорт гидробионтов и неживых элементов экосистемы.

Наконец, никогда нельзя наверняка быть уверенным, что наши представления о механизме формирования качества воды отражают точно результаты воздействия примесей к питьевой, бытовой и технической воде на организм человека. То, что считается безопасным, может оказаться очень вредным (особенно, когда воздействует одновременно несколько факторов); обратные примеры, к сожалению, маловероятны. Суждение о качестве воды может быть получено только из информационной части системы. При этом ошибка признания негодной воды за нормальную значительно более страшна, чем объявление безвредной воды опасной для здоровья.

4.3. Особенности функционирования модели

Работа программы начинается с введения констант и задания параметров внешней среды. Каждый машинный эксперимент начинается с достаточно условного состояния - неправдоподобно чистого водоема. При этом устанавливаются минимальные или нулевые значения переменных. Поэтому результаты каждого эксперимента следует рассматривать как отображение конкретной ситуации, а не модели экосистемы при длительных внешних воздействиях. Именно поэтому функционирование модели целесообразно ограничить небольшим числом шагов: 8-12 сутками, что соответствует времени почти полного водообмена в Невской губе.

После установления начального состояния воспроизводятся результаты наблюдений за состоянием р. Невы. За неимением более точных данных предполагается, что оценки концентраций взвесей, растворенных веществ и фитопланктона являются несмещенными с равномерным законом распределения. Имитация случайных величин производится посредством функции генератора случайных чисел. Возможные отрицательные оценки из рассмотрения исключаются и заменяются нулевыми.

Транспорт неорганической взвеси, токсических веществ, детрита, биогенов и фитопланктона имитируется независимым вычислением всех потоков между ячейками с последующим определением результирующих концентраций. Таким образом гарантируется выполнение условия сохранения суммарного количества вещества, участвующего в переносе. В переносе детрита и неорганического вещества учитываются процессы седиментации.

Осаждение фитопланктона на грунт не учитывалось из-за неопределенности процесса взмучивания клеток водорослей со дна. В модельной интерпретации этих процессов алгоритм оставлен тот же, однако схема течений и источники вещества подвергаются стохастическому "зашумлению", которое определяется точностью наших представлений о процессах переноса, седиментации и взмучивания. В какой то мере можно считать, что чем больше затраты на фундаментальные исследования, тем меньше отклоняется модель процесса от оригинала. А чем больше затраты на организацию и осуществление мониторинга, тем меньше отклонение принятых в модели параметров от "истинных".

Гидробиологические процессы имитируются так, как это было показано в модели экосистемы Невской губы (раздел 3.1). В отличие от предварительной модели, в данном случае учитывается потребление биогенов (а именно минеральных форм азота) в процессе фотосинтеза. Хотя в Невской губе наблюдается постоянный избыток биогенов, учет их потребления нужен для оценки выноса растворенного азота и фосфора в восточную часть Финского залива. Там биогены лимитируют первичную продукцию фитопланктона, и их поступление из Невской губы может оказать существенное влияние на качество воды в этом районе.

В модельной интерпретации гидробиологических явлений оценки коэффициентов смертности, деструкции и суточного P/B (т. е. отношение продукции за некоторое время к средней для этого промежутка времени биомассе продуцирующих организмов - раздел 3.1) являются несмещенными, хотя это строго не обосновывается. Конечно, в реальности указанные оценки явно смещены (это, например, подтверждается расхождением оценки величины первичной продукции радиоуглеродным и кислородным методом или расхождением оценки биомассы фитопланктона по концентрации хлорофилла "А" и методом прямого счета), но насколько и в какую сторону, сказать в общем случае достаточно трудно.

Качество воды по акватории Невской губы на каждом временном шаге системы определялось, исходя из анализа 4 компонентов: отношений концентраций токсинов (КT), неорганической взвеси (KM), детрита (KD) и фитопланктона (KP) к соответствующим ПДК для двух вариантов - с учетом рельефа дна и гидродинамики и без него. При этом для расчетов всякий раз использовалась та компонента, которая в максимальной степени ухудшала качество.

Поскольку в информационной части исследуемой системы существенную роль играют случайные величины, то при одной реализации материальной части системы приходится осуществлять целую серию реализаций ее информационной части для получения достаточно устойчивых функций распределения выводимых величин - например, оценки качества воды. Число таких реализаций задается после прохода материальной части модели. Функции распределения в виде гистограммы выдаются на экран дисплея.

Результаты прогона модели отображаются на экране дисплея. Меню состоит из двух разделов Природа и Модель, которые соответствуют материальной и информационной части системы. В каждом разделе есть позиции Неорганическая взвесь, Токсические вещества, Детрит, Фитопланктон, Биогены и Качество воды. По каждой из интересующих нас позиций можно получить карту распределения данного элемента по акватории Невской губы. Распределение дается по пяти градациям от максимального до минимального и по 12 зонам с выводом цифрового значения максимального числа и указанием номера зоны, в которой этот максимум достигается. Опасная зона (если она существует), окрашивается в красный цвет. После просмотра результатов моделирования возможен переход к рассмотрению различных вариантов управления (сценариев) при неизменных природных воздействиях на систему. Предлагаются следующие сценарии: