Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Комплексная характеристика водоемов Карелии 12
1.1. Физико-географические особенности исследуемой территории 13
1.2. История исследования водоемов 14
1.3. Природные особенности водоемов 18
1.3.1. Морфологические особенности 18
1.3.2. Гидрологические особенности 26
1.3.3. Особенности термического режима 29
1.3.4. Гидрохимические особенности 33
1.3.5. Гидробиологические особенности 36
1.3.6. Особенности донных отложений 40
1.4. Антропогенное изменение водоемов 41
Глава 2 Использование методов классификации в лимнологических исследованиях 43
2.1. Научные основы классификации 43
2.2. Обзор основных классификаций водоемов 47
2.2.1. Генетические классификации 48
2.2І2. Морфометрические классификации 51
2.2.3. Гидрологические классификации 54
2.2.4. Термические классификации 56
2.2.5: Гидрохимические классификации 59
2.2.6. Гидробиологические классификации 63
2.2.7. Комплексные классификации 65:
2.3: Использование методов математико-статистического анализа в лимнологических классификациях 66
Глава 3. Типизация водоемов Карелии с использованием методов многомерного статистического анализа 70
3.1. Создание базы данных 70
3.2. Морфологическая типизация водоемов 71
3.3. Гидрологическая типизация водоемов 77
3.4. Термическая типизация водоемов 81
3.5. Типизация водоемов по гидрохимическим показателям 84
3.6. Типизация водоемов по гидрохимическим и продукционно-биологическим показателям 89
3.7. Типизация водоемов на основании общности и различия состава их рыбного населения 93
3.8. Типизация водоемов по комплексу характеристик 96
Глава 4. Типизация водоемов Карелии с использованием новых методов обработки и анализа данных 99
4.1. Оценка порядковых характеристик водоемов 99
4.2. Оценка номинальных характеристик водоемов 105
4.3. Оценка связи между порядковыми и номинальными характеристиками 115
4.4. Построение экспертной системы водоемов 119
4.5. Определения трофического статуса озер как нечеткой величины 126
4.6. Типизация водоемов с использованием методов нечетких множеств 132
Заключение 137
Список используемой литературы 139
- Морфологические особенности
- Гидрохимические классификации
- Типизация водоемов по гидрохимическим показателям
- Построение экспертной системы водоемов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В пределах Республики Карелия насчитывается более 60 тысяч озер (площадью от 1 га), различных по происхождению, размерам, гидрологическому и термическому режиму, гидрохимическим, гидробиологическим и другим особенностям. Водоемы Карелии представляют собой одну из самых изученных и хорошо документированных озерных групп России (Григорьев, Грицевская, 1959; Озера Карелии..., 1959; Григорьев, 1964; Ресурсы..., 1965, 1972; Китаев, 1984; Современное состояние..., 1998; Каталог..., 2001; Водные ресурсы..., 2006 и др.). Однако даже по данному региону подробно изучено менее одного процента водоемов. Исследовать все озера — задача на данный момент невыполнимая, поэтому необходима разработка новых подходов для корректной оценки водных и биологических ресурсов малоизученных водных объектов. Эта проблема актуальна не только для Республики Карелия, но и в целом для России, где насчитывается более двух миллионов озер, а изучено также менее одного процента водоемов.
Для решения задачи оценки характеристик слабоизученных водоемов часто используются методы аналогов, типизации и классификации. Эти методы позволяют получить дополнительную информацию об озерах, т.е. по имеющимся немногочисленным сведениям относить рассматриваемый водоем к тому или иному классу и оценивать характерные для него свойства. Данные методы нашли применение лимнологии еще на ранних этапах развития науки в трудах Ф. Фореля, Д. Н. Анучина, Э. Наумана, Г. Ю. Верещагина, В. В. Молчанова, М. А. Первухина. Более широкое развитие лимнологические классификации получили в последующих работах Б. Аберга, У. Роде, Д. Хатчинсона, У. Оле, В. В. Винберга, Л. Л. Россолимо, Б. Б. Богословского, А. И. Тихомирова, И. В. Баранова, О. А. Алекина, Р. Карлсона, СП. Китаєва и других. Дальнейшим толчком развития классификаций водоемов послужило внедрение методов математико-статистического анализа, в частности в работах А. М. Догановского, СВ. Рянжина, В. В. Дмитриева, В. В. Бульона и других.
Именно поэтому в качестве основных методов исследования нами были выбраны разнообразные методы классификации и типизации. Классификация является одним из самых популярных и хорошо апробированных методов научного познания мира, в современной науке она весьма востребована, и эти методы до сих пор совершенствуются. В работе помимо традиционных методов были применены современные, ранее малоиспользуемые в лимнологии методы, например, такие как методы теории искусственного интеллекта (методы нечетких множеств, нечеткой логики и др.).
Объектом исследования диссертационной работы являются малые, средние и крупные водоемы Республики Карелия, за исключением Великих Европейских озер — Ладожского и Онежского.
Предмет исследования — эколого-географическая типизация водоемов исследуемого района.
Основные методы исследования — методы классификации и, в первую очередь, методы автоматической классификации — факторный и кластерный анализ, а также методы, которые находят применение в системах искусственного интеллекта и могут быть использованы для изучения водоемов.
Цель работы: проведение эколого-географической типизации наиболее изученных водоемов Карелии и разработка на ее основе системы определения характеристик малоизученных водоемов.
Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:
комплексная оценка современного состояния озер Карелии по литературным, архивным и фондовым данным;
анализ основных методов и подходов в классификации и типизации водоемов;
создание электронной базы данных озер Карелии, включающей основные лимнологические характеристики наиболее изученных водоемов на основе опубликованных сведений и данных, собранных в ИВПС КарНЦ РАН за период с середины прошлого века по настоящее время;
применение в лимнологических исследованиях новых методов обработки и анализа данных;
типизация озер Карелии по отдельным лимнологическим параметрам (гидрологическим, гидрофизическим, гидрохимическим, гидробиологическим), а также комплексу параметров;
оценка информационных связей и информационной значимости основных лимнологических характеристик;
внедрение экспертной системы (ЭС) для оценки характеристик малоизученных водоемов.
Основные положения, выносимые на защиту:
типизации водоемов Карелии по ряду лимнологических параметров, а также по их комплексу;
анализ, в результате проведения типизации, некоторых эколого-географических особенностей водоемов;
оценка информационных связей и информационной значимости ряда лимнологических характеристик;
- внедрение ЭС для оценки характеристик малоизученных водоемов
Карелии.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
предложены новые подходы к типизации водных экосистем;
разработана методика создания ЭС применительно к водным объектам;
впервые применена ЭС для оценки характеристик водоемов в условиях дефицита информации.
Теоретическая значимость работы заключается в обогащении концептуального аппарата, обеспечивающего эколого-географическое изучение водных объектов.
Практическая значимость заключается в разработке ЭС водоемов Карелии, которая может служить инструментарием оценки и управления водными и биологическими ресурсами озер, а также их сохранения и рационального использования. Система может быть применена в районах со схожими природными условиями, а также послужить аналогом при разработке ЭС озер различных ландшафтных зон и областей.
Достоверность научных результатов и выводов обеспечивается использованием больших объемов выборки исходных материалов, проанализированных с применением адекватного методического аппарата исследования; применением междисциплинарной системы методов; положения и выводы диссертации опираются на отечественные и зарубежные литературные источники, картографические, архивные и фондовые материалы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ («Водные ресурсы»).
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы использованы в рамках научно-исследовательских тем Отделения наук о Земле РАН, выполняемых в ИВПС КарНЦ РАН, а также 5 грантов и международных проектов:
тема НИР «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Гидродинамические аспекты развития экосистемных процессов» (№ государственной регистрации: 01.2.003 05207);
тема НИР «Эколого-географическая типизация и классификация водоемов Северо-Запада России в условиях антропогенного воздействия и климатических изменений: экспертная система оценки озерных экосистем» (№ государственной регистрации: 01.2.005 04018);
тема НИР «Озерно-речные системы как элемент ландшафта Северо-Запада России. Численное моделирование — инструментарий
для эффективного управления водными ресурсами озер» (№
государственной регистрации: 01.2.006 06526);
Результаты исследований по теме диссертации были представлены на 10 региональных, всероссийских и международных конференциях, в том числе на IV (XXVII) Международной конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера» (Вологда, 2005); Международной конференции, посвященной 60-летию КарНЦ РАН «Северная Европа в XXI веке: природа, культура, экономика» (Петрозаводск, 2006); Всероссийской конференции «Ледовые и термические процессы на водных объектах России» (Архангельск, 2007); 11-ом Европейском семинаре «Физические процессы в природных водах» (Варнемюнде, Германия, 2007); Ежегодной межвузовской научно-методической конференции Герценовские чтения «География и смежные науки» (Санкт-Петербург, 2008). Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах лаборатории географии и гидрологии и лаборатории гидрофизики ИВПС, на заседании Ученого совета ИВПС КарНЦ РАН, на заседании кафедры географии КарГПУ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 157 страницах, включает 38 рисунков, 23 таблицы и список литературы из 197 наименований.
Морфологические особенности
Первоначальная форма озерных котловин связана с окружающим рельефом и изменяется под воздействием процессов, происходящих в водоеме и на водосборе. Несмотря на огромную роль лимнологических процессов, главной морфологической особенностью озер Карелии является ярко выраженная связь озерных котловин с рельефом (Литинская, 1976). Эта связь проявляется в распределении озер по территории, находит выражение в различных морфометрических характеристиках и объясняется геологической молодостью современного рельефа и озерно-речной сети.
Закономерности распределения водоемов по территории. В пределах Карелии сгущение числа озер наблюдается в ее центральной части, с тенденцией к уменьшению на север, юг и восток от Беломоро-Балтийского канала (Григорьев, 1961; 1964). Об этом можно судить по значению коэффициента линейной озерности1, который южнее р. Свири имеет значение не более 2,0-2,5 %, затем возрастает в пределах Карелии (севернее 61 с.ш.), достигая в зоне 62-66 с.ш. наибольших значений (18 % в бассейне р. Кереть), севернее 67 с.ш. уменьшается (до 2,5-4,0 %). Быстрее коэффициент озерности убывает к востоку, за линией pp. Сума — Повенчанка, бассейны рек Поморского побережья Белого Моря — 3-4 %, бассейн р. Водлы — до 5 % (Григорьев и др., 1965). Схема размещения озер различных размерных классов (менее 5 км, 5-50, 50-500 и более 500 км) по территории Карелии представлена на рисунке 1.2.
Наибольшая концентрация водоемов наблюдается на отметках от 50 до 200 м над уровнем моря, достигая наибольшего их числа в пределах 100-150 м (рисунок 1.3). Крупные озера расположены на отметках от 90 до 120 м н.у.м., что является отражением оптимальных ороморфологических и климатических условий их образования и развития (Литинская, 1976). Выше и ниже этого «озерного» яруса суммарные площади крупных озер уменьшаются (рисунок 1.4). Также следует отметить, что с уменьшением мощности четвертичных отложении происходит увеличение числа крупных водоемов и их суммарной площади, наибольшие озера приурочены к тектоническим зонам и т.д
Генезис озерных котловин. Расположение территории Карелии на Фенноскандинавском (Балтийском) кристаллическом щите, перекрытом слоем четвертичных отложений водно-ледникового происхождения, определяет генезис озерных котловин. Современная озерно-речная сеть Карелии начала формироваться около 10 тыс. лет назад после таяния материковых льдов. Она заложена в тектонических понижениях и котловинах, обработанных ледником, и имеющих на севере района почти широтное простирание, а к югу меняющих его на северо-западное направление.
Происхождение озерных котловин Карелии различное. Большинство озер имеют сложный генезис, но главная роль в формировании котловин, как правило, принадлежит одному из факторов рельефообразования — тектоническому, ледниковому и т.д. (Бискэ, Лукашев, 1970).
Наиболее крупные озерные котловины изучаемого района были заложены в доледниковое время и имеют эндогенный генезис — тектонические котловины. Они либо связаны с разрывными тектоническими нарушениями разного порядка, либо со складчатыми структурами при незначительной роли разрывной тектоники (Бискэ, Лукашев, 1970).
К тектоническим котловинам первой группы относятся сложные грабены, связанные с зонами глубинных разломов и структурами, расположенными в пределах этих зон, простые грабены, связанные с тектоническими нарушениями, усложняющими внутреннее строение структур и приразломные котловины, расположенные непосредственно в зонах разломов, секущих разновозрастные комплексы. Примерами сложных грабенов могут служить котловины таких гигантов как Ладожское и Онежское озера, Сегозеро, а так же более малых озер — Елмозеро, Кукасозеро, Паанаярви; наряду со свойственными всем сложным грабенам чертами (большие глубины и сложный рельеф дна) последних отличает отчетливая линейность. Простые грабены характеризуются меньшими разломами, очень простой формой и меньшими глубинами, к ним относятся котловины оз. Остер, Селецкого, Лексозеро, Ципринга. Приразломные котловины (напр., оз. Космозеро, Путкозеро, Кончезеро и др.), как правило, образуют системы озер ориентированных в одном направлении, котловины их имеют относительно простое строение, характерной особенностью котловин является наличие на их дне одной или нескольких глубоких борозд, расположенных параллельно береговой линии.
Ко второй группе тектонических котловин относятся котловины, приуроченные к синклинальным и антиклинальным складкам. Котловины, приуроченные к синклинальным складкам, имеют изометрическую форму и спокойный рельеф дна (оз. Укшезеро, Урозеро и др.), котловины, приуроченные к антиклинальным складкам, имеют более вытянутую форму и так же спокойный рельеф дна (оз. Сандал, Кедрозеро, Янгозеро и др.).
Прошедшие оледенения сказались на облике тектонических котловин. Многие из них, особенно ориентированные по направлению движения ледника, подвергались его воздействию, происходило расширение и углубление котловин в результате выпахивание слабо устойчивых к денудации горных пород и осадочного материала, а также аккумуляция моренного материала (Бискэ, Лукашев, 1970; Квасов, 1986). Поэтому некоторые авторы, например Ю. Б. Литинский (1962), выделяют для Карелии гетерогенный (двойственный по генезису) класс озерных котловин — ледниково-тектонические котловины.
Современные экзогенные озерные котловины Карелии формировались преимущественно во время прохождения ледника и его дальнейшей деградации. Наибольшую группу экзогенных котловин составляют ледниковые котловины, представляющие собой аккумулятивные котловины, ограниченные ледниковыми и водно-ледниковыми аккумулятивными формами рельефа (Бискэ, Лукашев, 1970). Распространение ледниковых котловин в большинстве случаев также подчиняется тектонике.
Среди ледниково-аккумулятивных котловин наиболее крупными являются сложные аккумулятивные котловины, сформировавшиеся в пределах значительных по размерам площадей развития ледниковых и водно-ледниковых аккумулятивных форм рельефа. Форма котловин таких озер в плане неправильная, с крупными, лопастной формой заливами, значительным количеством островов, полуостровов, мысов, рельеф дна с многочисленными поднятиями и впадинами (оз. Сямозеро, Вохтозеро, Пулозеро, Каскеснаволоцкое и др.). Достаточно большие размеры имеют так же и подпрудные котловины, образовавшиеся в результате подпруживания озерных и речных систем аккумулятивными ледниковыми и водно-ледниковыми формами.
К группе аккумулятивных котловин также относятся остаточные котловины, развитые в пределах озерно-ледниковых равнин, они характеризуются относительно небольшими размерами, округлой формой, почти без островов и заливов, небольшими глубинами (оз. Вагатозеро, Миккельское и Др.); и простые аккумулятивные котловины, сформировавшиеся между положительными ледниковыми - и водно-ледниковыми формами рельефа (они невелики по размерам и глубине).
К котловинам экзогенного генезиса, помимо ледниковых котловин, относятся (Литинский, 1962):
— водно-эрозионные котловины (представляющие собой отмершие «старицы» речного потока);
— водно-аккумулятивные котловины (лагуны на Карельском побережье Белого моря и лиманы по юго-восточному побережью Онежского озера);
— карстовые котловины (характерны для района Балтийско-Каспийского водораздела);
— вторичные котловины (образованы на верховых торфяных болотных массивах);
— зоогенные котловины (созданные животными, например, бобрами). Многие карельские озера к настоящему времени превращены в водохранилища. Первые водохранилища стали появляться в начале XVIII века с развитием металлургии. К ним относятся оз. Лососинное и Машезеро, созданные для нужд Петровского завода, а также оз. Пертозеро (1707 г.) для Кончезерского завода. К антропогенным водоемам также можно отнести и затопленные песчаные и каменные карьеры, на местах добычи полезных ископаемых.
Морфометрические особенности водоемов. Большинство озер Республики Карелия (96,8 % от общего числа озер) имеют площадь водного зеркала менее 1 км2, и, согласно классификации П. В. Иванова (1948), относятся к классу очень малых озер и озерков {таблица 1.1).
Гидрохимические классификации
Химический состав воды является, одним из важнейших экологических факторов существования гидробионтов: В соответствии с общепринятой классификацией,природных вод по минерализации (Алекин, 1970), водоемы подразделяются на следующие группы: пресные (или пресноводные) с соленостью менее 1 %о, солоноватые с соленостью от 1 до 25 %о, соленые (или минеральные) с соленостью более 25 %о. Озера с очень большим содержанием солей называют рапными.
И. В. Баранов (1962) подразделяет пресные озера на три группы: низкоминерализованные — сумма ионов до 100 мг/л, среднеминерализованные — 100-500 мг/л и повышенноминерализованные — 500-1 000 мг/л.
С. П. Китаевым. (1984) в результате сравнительной оценки минерализации озер были получены следующие средние классы минерализации: для озер тундры и тайги — 25-50 мг/л, для озер зоны смешанных лесов — 100-200 мг/л. В результате была построена классификация включающая пять типов озер: с очень низкой минерализацией — менее 12,5 (50,0) мг/л; с низкой минерализацией — 12,5-25,0 (50,0-100,0) мг/л; со средней минерализацией — 25,0-50,0 (100,0-200,0) мг/л; с повышенной минерализацией — 50,0-100,0 (200,0-400,0) мг/л; с высокой минерализацией — более 100,0 (400,0) мг/л.
Так же существуют различные классификации природных вод, построенные на основе их качественного состава, например, О.1 А. Алекин (1970) подразделяет природные воды по преобладающему аниону (по эквивалентам) на три класса: гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных вод. Каждый класс по преобладающему катиону подразделяется дальше на три группы: кальциевую, магниевую или- натриевую. Каждая группа в свою очередь подразделяется, на четыре типа вод, определяемых соотношением между ионами-в эквивалентах.
В- озерах с увеличением минерализации воды происходит относительный рост ионов в ее составе (Алекин,. 1970). При минерализации, до 500-1 000 мг/л в озерной, воде преобладают гидрокарбонатные анионы, свыше 1 г/кг — чаще всего1 сульфатные, а по достижению 3-5 г/кг в зависимости- от литологических особенностей водосбора- — сульфатные или хлоридные анионы. В составе катионов озерных вод преобладающая роль кальция сохраняется лишь до 1-2 г/кг, уступая при дальнейшем росте минерализации катионам натрия, катионы магния при всех величинах минерализации сохраняют промежуточное положение. Таким образом, подавляющая часть пресных озер по ионному составу воды относится к гидрокарбонатно-кальциевым озерам.
Большая работа по классификации озер трех природных зон (тундры, тайги и смешанных лесов) на основании значений гидрохимических показателей (общей минерализации, рН, цветности, перманганатной и бихроматной- окисляемости, а также содержанию кислорода, двуокиси углерода и органического вещества) была проделана С. П. Китаевым (1984). Классификации строились на значении гидрохимических показателей
5 В скобках показатель для озер зоны смешанных лесов, без скобок — озер тундры и тайги поверхностных слоев в летний период, без учета распределения их в горизонтальном и вертикальном направлениях и сезонном аспекте, из-за отсутствия необходимой информации. Например, по значению рН поверхностных слоев автор подразделил озера на следующие группы: полиацидные —рН менее 4; мезоацидные —рН 4-5; олигоацидные —рН 5-6 , олигоацидно-нейтралъные —рН6-7; нейтралъно-олигощелочные —рН 7-8; олигощелочные —рН 8-9; мезощелочные —рН 9-10; полищелочные —рН более 10. По содержанию кислорода (в % насыщения) в поверхностных слоях в летний период напять групп: с очень высоким содержанием кислорода (более 115%); с высоким содержанием кислорода (100-115%); со средним содержанием кислорода (85-100%); с низким содержанием кислорода (70-85 %); с очень низким содержанием кислорода (менее 70 % насыщения).
Отдельно остановимся на классификации озер по значению показателей перманганатной и бихроматной окисляемости и цветности воды, так как по ним, в первом приближении, можно судить о характере и количестве органического вещества (Скопинцев, 1950). Примеры различных классификации водоемов по степени гумификации на основании значения вышеназванных показателей представлены в таблице 2.6.
В последнее время среди гидрохимических классификаций получили развитие классификации вод по их качеству. Для Карелии классификация качества поверхностных вод была разработана П. А. Лозовиком (Современное состояние..., 1998; Каталог озер..., 2001; Лозовик, 2006) на основании совокупности таких показателей, как величина рН, содержание органического вещества, кислорода, общего фосфора и некоторых других. Отличительной чертой данной классификации является выделение помимо четырех классов качества вод — высокого, хорошего, удовлетворительного и низкого, дополнительного класса — загрязненных вод.
Типизация водоемов по гидрохимическим показателям
Для анализа использовались данные по 95 водоемам бассейна реки Шуя (бассейн Онежского озера). Использовались следующие характеристики водной среды озер: общая минерализация (27,), активная реакция (рН), цветность (COL), пермангонатная и бихроматная окисляемость (РО и ВО), содержание общего азота и фосфора (TNn ТР).
Анализ исходных данных методами факторного анализа выделил 3 главные компоненты, которые суммарно объясняют около 84 % общей изменчивости выборки (таблица 3.10, рисунок 3.7). Факторі связан со степенью гумификации вод (COL,PO,BO) и объясняет более 37% изменчивости выборки. Фактор 2 объединил такие показатели, как общая минерализация (27,) и активная реакция воды (рН) — около 28 % выборки. Фактор 3 — биогенные элементы (77V, ТР) — около 19% изменчивости выборки.
Как показано выше- {таблица 3.11), наибольший процент общей изменчивости объясняет компонента, включающая характеристики связанные с гумификацией вод {COL,PO,BO). Меньший процент изменчивости объясняет компонента, включающая такие показатели как общая минерализация (27/) и активная реакция воды (рН). Наименьший процент изменчивости объясняет компонента, включающая биогенные элементы {TN, ТР). Поэтому полученные в результате анализа типы, в соответствии с общепризнанными классификациями (напр., Китаев, 1984), можно охарактеризовать следующим образом. По первому фактору:
- 1 тип — озера с высокой гумификацией вод (уровень мезополигумозных и полигумозных водоемов);
- 2 тип — озера со средней гумификацией вод (мезогумозный и мезополигумозный уровень);
- 3 тип — озера с низкой гумификацией вод (олигомезогумозный и мезогумозный уровень);
- 4 тип — озера с очень низкой гумификацией вод (ультроолигогумозный и олигогумозный уровень);
- 5 тип — озера со средней гумификацией вод (группа характеризуется большим разбросом показателей, но среднее значение для кластера на уровне мезогумозных водоемов).
По второму фактору:
- 1 тип — озера с очень низким значением рН, 2-3 тип — озера с низким значением рН (на уровне олигоацидных и олигоацидно-нейтральных водоемов) и слабой минерализацией вод;
- 5 тип — озера со средним значением рН (олигоацидно-нейтральные водоемы) и средней минерализацией;
- 4 тип — озера с высоким «значением рН (нейтрально-олигощелочные водоемы) и« повышенной минерализацией.
По третьему фактору (в первую очередь по ТР):
- 5 тип — озера с- высоким трофическим, уровнем (преимущественно эвтрофные водоемы);
- 1 тип — озера со средним трофическим уровнем (преимущественно мезотрофные водоемы);
- 2-4 типы — озера с низким трофическим уровнем (преимущественно олиготрофные водоемы).
Также следует отметить, что водоемы 1 и 2 типа отличаются от водоемов 3 и 5 типа большим отношением пермангонатной окисляемости к бихроматной (РОI ВО), а значит преобладанием в озерах первой группы аллохтонного, а второй — автохтонного органического вещества.
Таким образом, полученные в результате анализа типы можно интерпретировать «следующим образом:
- 1 тип — сильногумифицированные кисловодные среднеэвтрофированные водоемы; высокая гумификация вод и низкая рН объясняется сильной заболоченностью водосбора и его гидромелиорацией, эвтрофирование — значительной антропогенной нагрузкой на водосбор;
— 2 тип — среднегумифицированные кисловодные слабоэвтрофированные водоемы , данные характеристики водной среды объясняется сильной заболоченностью водосбора;
— 3 тип — слабогумифицированные кисловодные слабоэвтрофированные водоемы; данные условия водной среды объясняется, в первую очередь, значительной долей дождевого питания в водном балансе озер (водоемы с малым удельным водосбором);
- 4 тип — водоемы низкогумифицированные нейтралъноводные слабоэвтрофированные , низкая гумификация, водной среды объясняется значительной долей дождевого питания в водном балансе озер, повышенная минерализация и нейтральная реакция водной среды — залеганием растворимых карбонатных горных пород на водосборе;
- 5 тип — среднегумифицированные близкие к нейтральноводным высокоэвтрофированные водоемы; данные условия водной среды объясняется, в первую очередь, сильной антропогенной нагрузкой на водоем и его водосбор (например, сельскохозяйственная деятельность).
Построение экспертной системы водоемов
Для того чтобы иметь возможность определить одни характеристики озера, если известны какие-либо другие его характеристики (например, зная площадь озера оценить возможный состав ихтиофауны, или биомассу бентоса), целесообразно представить характеристики озера в виде нечетких множеств. И для определения одних характеристик озера по другим целесообразно применить аппарат нечеткой логики (Кофман, 1982; Нечеткие множества..., 1986; Klir, Folger, 1988). В лимнологии и экологии водных экосистем использование аппарата нечетких множеств и нечеткой логики также перестали быть единичными (Salski, 1993; Droesen, 1993; Mackinson, 2000; Matternicht, 2001).
Если об озере не известно ничего, кроме того, что это озеро принадлежит к множеству озер Карелии, то функции принадлежности {membership function) этого озера будут такими, как это представлено на рисунке 4.17.
Определение функции принадлежности неизвестной характеристики озера {/лс) по данным о функции принадлежности другой характеристики озера {/лА) и отношению между этими двумя характеристиками, согласно матрице {juAC), производится при помощи нечеткого логического вывода (нечеткой импликации) по Заде (Штовба, 2007).
Вычисления по выражению (4.8) формально похожи на операцию умножения вектора на матрицу, только умножение заменяется нахождением минимума, а сложение — нахождением максимума. Пример применения нечеткой импликации приведен на рисунке 4.19, где по нечеткому заданию площади озера определены функции принадлежности всех других его характеристик.
На рисунке 4.18 изображен интерфейс ЭС (Попов, 1987; Уотерман, 1989) для определения характеристик озер Карелии.
Интерфейс представляет собой изображение семантической сети, в вершинах которой расположены характеристики озера, а дуги соответствуют операциям нечеткого логического вывода. В программной интерпретации щелчок мышью по этикетке, расположенной на дуге, вызывает вычисление соответствующей нечеткой импликации. В том случае, когда одна характеристика определяется на основании двух или более других характеристик, (вершина графа семантической сети имеет несколько заходящих активных дуг) применяется операция нечеткой конъюнкции.
Кроме минимаксной нечеткой логики возможно применение вероятностной модификации конъюнкции в виде:
На рисунке 4.20 представлены последовательные стадии работы ЭС по определению числа видов в сообществе рыб (ІСН) от полного отсутствия дополнительной информации до исчерпания возможностей системы в данном конкретном случае. Неопределенность в величины ІСН снижается от Е = 2,65 до Е = 1,05. Эта величина рассчитывалась по формуле
Переходя к описанию номинальных признаков озер, отметим, что по терминологии принятой в теории нечетких множеств, он соответствуют лингвистическим переменным (Заде, 1976). Применительно к озерам Карелии к таким переменным относятся характеристики грунтов, списки видов рыб, макрофитов и бентоса. Если при традиционном рассмотрении такая переменная могла принимать только два значения (например, в данном озере есть элодея, или в данном озере нет элодеи), то в теории нечетких множеств функция принадлежности может принимать любое значение от О до 1. Значение 1 соответствует абсолютной уверенности в существовании данного признака, а значение 0 — абсолютной уверенности в его отсутствии. Для хорошо изученного видового состава рыб озер Карелии функция принадлежности почти всегда близка к 1 или к 0. Для видового состав водных беспозвоночных дело обстоит не так, поскольку на многих озерах видовой состав зоопланктона и бентоса изучен далеко не достаточно, и присутствие многих видов сомнительно. Именно таким случаям соответствуют дробные значения функции принадлежности. Очень важно понятие функции принадлежности при попытках прогноза или реконструкции списков? видового состава. Заметим, что значение функции принадлежности 0,5 соответствует полной неопределенности в оценке данного признака.
В разработанной экспертной системе фигурируют 94 лингвистические переменные, функции, принадлежности которых отображаются на интерфейсе, представленном на рисунке 4.21. Если об озере ничего не известно, кроме того, что это озеро расположено в Карелии и его площадь больше 50 га, то функции принадлежности окуня, щуки и плотвы близки к 1, а функция принадлежности карася близка к 0. А вот для уклеи или рдеста обнаруживается почти полная неопределенность, так как их априорные функции принадлежности близки к 0,5. Вся дальнейшая работа ЭС заключается в том, чтобы уточнить эти функции, вводя в систему дополнительную информацию о характеристиках озера.
Информация о том, что в озере обитает окунь, практически не изменяет априорного распределения функций принадлежности других видов ихтиоценоза (рисунок 4.22). Однако обнаружение в озере лосося исключает возможность обнаружения в этом же озере сома или карася, а вероятность встретить синца, голавля или гольца становится исключительно низкой.
