Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение и оптимизация взаимоотношений 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 повыленного 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 лучшего. Недостаточная очистка промышленных 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 определенип академика Н.Н.Моисеева, представ-», ляет собой формализованное описание на ЭВМ изучаемого явления во всей"-'
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 19Ь8 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 1981-84 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-Ю 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 выдвижения и проверки по натурным данным совокупности гипотез (сценариев) о поведении системы в различных условиях. Чем большее количество гипотез оправдывается, тем с большим эснованием априорную модель можно рассматривать в качестве теории Ірункционирования экологических систем.
Рассматриваемые в работе имитационные модели построены на деторми-тастских принципах. При их формулировке использованы: -законы сохране-іия вещества, энергии и количества движения; аллометрический закон; іакон 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-іей, работоспособных только апостериори, модели, построенные на де-?ерминистских принципах, пригодны для изучения как наблюдаемых (ныне :уществугащих), так и не наблюдаемых (трансформированных ) экологичес-сих систем.
Модели социально-экологических систем строятся по блочному принципу. Каждая из них состоит из двух макроблоков, предназначенных для юделирования природных экологических систем водоемов и социально-ікономических систем регионов; Макроблоки, в свою очередь, имеют ілочн^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 формулируются в ви-,е систем существенно нелинейных обыкновенных дифференциальных урав-ений или (и) уравнений, в частных производных с соответствующими на-аль'нши и граничными, условиями. Правые части дифференциальных урав-екийі определяющие скорости обменных процессов между компонентами иоценоза и биотопа, формулируются на основе уравнений баланса веще-тва вэкосисиеме. Граничные условия отражают процессы обмена вещест-ом и энергией.с 'соседними экосистемами такого же или .более высокого-ерархическогр уровняв Явления йодсеточного'масштаба учитываются па-
рамєтрически. 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 систем дифференциальньх 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 расцепления (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 перзкчной диагностики состояния экосистем и информационного обслуживашія задач имитационного моделировнаия. База экологических знаний сод'.: раит программы имитационных моделей и результаты их реализации в виде модельных сценариев развития экосистем при различных антропогенных воздействиях. Сценарии предназначены для информационного обслуживания лиц, принимаюцих 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; ...)
- Сформулированы и реализована на ЭЗ!.'. пространственно-однородная
и резервуарная модели круговорота углерода, азота, ,;ос"ора і: дина;.г,ікл кислорода в водных экосистемах Невской губі- и ьосточноі. части Минского залива (пролив Бьеркезунд). Екполнена и;.з:тация 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 цикла развития экосистемы в проточном водоеме с экстремально большой внутри-годовой изменчивостью площади водного зеркала (Сергеев, Кулеш, IS6S; Кулеш, Сергеев, Бойцов, IS89).
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 дамбі; и городских стоков на процесс эвтросирования вод эстуария.
По данным государственной статистики за период с 1913 по IS88 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.їоррес-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 имитирует 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.\ >чш.^ моели развития региональных подсистем г. Санкт-Петербурга ;' v. .">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 темюв 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" (Международный 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, I98I-I985 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,.ля 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. J6549.
"...Комиссии удалось познакомиться с работами, проведенными на Географическом іТ.акультете 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, представится целесообразным на базе работ, проведенных в Ленгосуниверситете, использованием различных современных методов «-оделирования водных косисте'/. /в частности разработанных в ЕЦ All СССР/ в срочном порядке ровести необходимые работы по созданию системы математических колеей экосистемы Невской губы к Минского залива. На осноеє этой система еобхоцико разработать программы мониторинга к управления экосистемой пределить критические режимі, её функционирования и вибрать оптимальне 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 "Исследована структуры и механизмов Функционирования морских экологических истек" /Севастополь, 1974/; Симпозиуме по химическим основам бколо-ической продуктивности Мирового океана и морей СССР /Ростов 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, I960/; П Всесоюзной конферен-яи по биологии шельфа /Севастополь, IS78/; ГУ Всесоюзном симпозиуме Зроблемы 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 программе Советско-финского сотрудничества по Финскому заливу /Ленинград, Э82/; 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.