Глава 9. Моделирование водных экосистем. Комплексный подход (стр. 1 )

Глава 9. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОДНЫХ ЭКОСИСТЕМ. КОМПЛЕКСНЫЙ ПОДХОД

, ,

Введение

Одной из актуальнейших задач в области оценки экологического состояния нашего региона является разработка единого комплексного подхода к проблеме качества среды и, в частности, воды, а также критериев оценки этого качества. Необходимость комплексной постановки проблемы обусловлена тем, что в различных сферах человеческой деятельности эти проблемы обсуждаются в разных аспектах, что приводит порой к взаимоисключающим выводам и решениям. Примером тому является постройка дамбы для защиты г. Санкт-Петербурга от наводнений. Занимаясь проблемой оценки качества воды уже в течение нескольких лет (нами были созданы имитационные модели и банки данных по планктону и бентосу экосистем Финского залива и Ладожского озера), мы непосредственно подошли к созданию компьютерной системы, помогающей принимать решения и учитывающей как биологические, так и антропогенные процессы, обусловленные жизнедеятельностью Санкт- Петербурга - самого крупного промышленного города на Балтике. Если задача создания компьютерной системы принятия решений находится пока лишь на стадии разработки и ею занимаются несколько коллективов из различных организаций, то на пути решения менее общих задач, в частности, связанных с экологией водных систем, достигнут больший прогресс как в методологической сфере, так и в сфере сбора и обработки первичной информации. Последнему и посвящена главным образом эта глава.

Ниже рассмотрены проблема комплесного подхода к оценке экологического состояния Санкт-Петербургского региона и вопросы моделирования водных экосистем, при этом в качестве примеров описаны частные модели. Описанные в главе 6 банки данных служили для нас основой при моделировании и оценивании экологического состояния водоемов. Разумеется, ряд методов, обсуждаемых ниже, может быть адаптирован и к другим регионам. Большое внимание уделено описанию фактического экологического состояния региона, а также прогнозированию развития ситуации в будущем.

1. Комплексный подход к проблеме качества среды Санкт-Петербургского региона

1. 1. Сущность подхода

Решение такой сложной многообразной проблемы, как управление качеством среды и, в частности, состоянием акватории в городе Санкт-Петербурге и регионе, требует комплексного подхода и применения совершенных компьютерных методов обработки информации. Комплексность подхода заключается в том, что рассмотрению подлежит не только водная среда в пределах города Санкт-Петербурга (река Нева, ее многочисленные притоки и каналы), но и источники пресной воды для системы “река Нева - Ладожское озеро” со всем ее водосбором. С другой стороны, нельзя исключить из рассмотрения Невскую губу, которая в результате постройки дамбы, предназначенной для защиты Санкт-Петербурга от наводнений, но в настоящее время так и не выполняющей этой функции, стала практически обособленным, хотя и проточным водоемом. Состояние Невской губы традиционно воспринимается петербуржцами как характеристика благополучия природной среды города.

Наконец, нельзя исключить из рассмотрения восточную часть Финского залива: это "окно в Европу" или, если выражаться конкретнее, - "окно в Балтийское море". При этом не следует забывать, что Правительство России 9 апреля 1992 года подписало международную Конвенцию об охране морской среды Балтийского моря, которую необходимо выполнять.

Сказанное выше раскрывает использование термина “комплексность” только в пространственном аспекте. Но не менее важен и другой аспект, связанный со сложностью процессов, приводящих к изменению качества воды в акватории города Санкт-Петербурга. Дело не только в том, что на качество воды влияет все множество гидродинамических, гидрохимических и гидробиологических процессов, происходящих в водоемах и водотоках, но и в том, что процессы сброса в водоемы и водотоки разнообразных загрязняющих веществ (от, казалось бы, сравнительно безобидных соединений фосфора до откровенно токсичных соединений ртути, мышьяка и органических веществ) самым существенным образом зависят от технологии промышленного производства и технологии очистки сточных вод, если таковая вообще имеет место.

Технология и экономика - это уже совершенно другая область человеческих знаний, существенно отличающаяся по своей методологии от экологических и биологических дисциплин, что очень затрудняет взаимодействие всех упомянутых подходов для решения единой проблемы качества воды в городе Санкт-Петербурге. Последнее, очевидно, связано с тем, что очень часто экономически выгодные решения оказываются экологически неприемлемыми.

Комплексность проблемы не ограничивается сказанным. Регулирование сброса сточных вод в водоемы и всякое другое вмешательство человека в функционирование водных экологических систем связано не только с технологическими и экономическими аспектами, но и с социальными и правовыми аспектами жизнедеятельности такого сложнейшего образования как город Санкт-Петербург. Дело в том, что регулировать сбросы вод можно на основе действующего законодательства, подзаконных актов и нормативов, принятых центральными и местными органами власти. При этом следует помнить о том, что всевозможные нормы ПДК (предельно допустимых концентраций) должны иметь медико-биологическое и гигиеническое обоснование, что вовлекает в широкий круг дисциплин также медицину и физиологию человека и животных.

Все сказанное должно служить доказательством того, что мы имеем дело с действительно комплексной проблемой, при решении которой должны использоваться знания из области гидрологии, гидродинамики, гидрохимии, гидробиологии, санитарии и гигиены, медицины, социологии и права, токсикологии, технологии очистки сточных вод, технологии различных отраслей промышленности, развитых в Санкт-Петербурге (в первую очередь, химической, металлургической, пищевой, текстильной, машиностроительной).

Наконец, к трудностям, возникающим на пути решения упомянутой комплексной проблемы качества среды Санкт-Петербургского региона, относятся также сбор первичных данных и их обработка.

1.2. О необходимости создания автоматизированной системы принятия решений

Если учесть, насколько неожиданными иногда бывают реакции экосистем на те или иные антропогенные воздействия, что обусловлено сложностью и многофакторностью явлений в экосистемах, то становится очевидным, что проблема качества среды региона требует весьма тщательной и комплексной научной проработки с участием специалистов разного профиля. Эмпирические методы руководства (например, метод проб и ошибок) или принятие волюнтаристских решений в данной ситуации явно не годятся в силу очень большой сложности проблемы и огромной возможной цены последствий в случае ошибочных решений. Прогнозирование состояния среды затрудняется еще и тем, что отсутствует единый подход к обработке и сопоставлению непосредственно экологического материала. Например, не существует даже единой концепции оценки устойчивости экосистем и качества среды.

Исключительно большой объем информации, который необходимо обработать при решении указанной чрезвычайно сложной комплексной проблемы, стоящей перед правительством города Санкт-Петербурга, приводит к пониманию того, что ее решение невозможно без использования методов компьютерного имитационного и математического моделирования, а также, теорий оптимального управления и принятия решения в условиях неопределенности. Другими словами, речь должна идти о компьютерной автоматизированной системе принятия решений, не заменяющей, конечно, человека, но существенно помогающей ему компетентно действовать в той или иной конкретной ситуции.

Не имея возможности обсудить все аспектыы выполняемой нами работы, ниже мы коротко даем сведения о методологии моделирования экологических процессов в водных экосистемах и некоторых фрагментах упомянутой системы принятия решений. Конечно, здесь мы ни в коей мере не претендуем на полноту и охват всех исследований, связанных с поставленной выше проблемой управления качеством воды в Санкт-Петербурге или другом крупном городе, расположенном на берегах или в дельте реки.

2. Моделирование экологических процессов в водной среде

2.1. История вопроса и его современное состояние

Цель данного раздела - лишь беглый обзор тех исследований, на которых в той или иной степени базируются наши разработки. Поэтому выбор литературы имеет в значительной степени субъективный характер, ибо отражает личный опыт авторов настоящей работы и ее региональную специфику. Узкий специалист обнаружит в своей области несомненные пробелы и упущения, однако в смежных или вовсе далеких областях он может найти и нечто новое - это неизбежная плата за широту и комплексность проблемы, о которой говорилось в разделе I.

Начнем с моделирования водных экологических систем, а именно с самой разработанной области - моделирования течений и турбулентной диффузии в водоемах и водотоках. Здесь имеются твердо установленные и не подвергающиеся сомнению математические уравнения движения воды [1]. Вся проблема моделирования переноса взвешенных и растворенных в воде веществ, грубо говоря, сводится к решению этих уравнений численными методами при заданных начальных и граничных условиях, а также при соответствующих численных значениях коэффициентов.

Часто уравнения удается упростить, например, для Невской губы вполне удовлетворительно работает теория мелкой воды [2]. Однако, как показывает практика [3,4,5], определение достаточно надежных значений коэффициентов турбулентной диффузии сопряжено со значительными трудностями. Дело в том, что величины этих коэффициентов существенно зависят от плотностей и термической стратификации водоема, а в вертикальном и горизонтальном направлениях различаются на несколько порядков.

Не меньшие трудности возникают при попытках адекватного описания воздействия ветра на поверхность водоема, особенно если учитывать образование волн, или взаимодействия объемов воды и дна водоема. Моделирование гидродинамики рек [6,7] имеет свои особенности и трудности, главным образом в описании переноса взвешенных частиц (размывание берегов и образование отмелей, что актуально для условий Невской губы).