Введение к работе
з
При решении задачи устойчивого неистощительного использования возобновляемых природных ресурсов важную роль играет определение закономерностей процесса их самовоспроизводства. Данная работа посвящена анализу процессов формирования пополнения, организации воспроизводства и управления эксплуатацией биоресурсов, имеющих важное хозяйственное значение на основе комплекса моделей с применением формализма гибридных автоматов. Модели основываются на синтезе представлений Ф. Нива и У. Рикера о зависимости запаса и пополнения популяций рыб при действии разных типов смертности, классифицируемых в зависимости от характера влияния плотности, и теории этапности развития организмов. Для описания выявленных нелинейных эффектов в естественном воспроизводстве, оценки с математических позиций эффективности искусственного воспроизводства, анализа причин стремительной деградации биоресурсов Каспия используются методы исследования качественных характеристик фазовых портретов динамических систем.
Актуальность темы диссертации. Необходимость системных методов исследования динамики биоресурсов связана с неоправданностью прогнозов и планов развития рыбного хозяйства, выразившейся, в том числе в падении уловов на фоне увеличения выпуска молоди рыбоводными заводами в 1980-е годы.
Запасы осетровых рыб длительное время обеспечивали стабильные уловы. В конце 1970-х годов были достигнуты значительные по сравнению с предшествующими десятилетиями объёмы вылова т.к. предполагалось, что популяции осетровых рыб способны выдерживать 60% изъятия из промыслового запаса. При этом в 1970-е гг. эксперты (В.В. Милыптейн, А.А. Шорыгин) обосновали концепцию максимизации ежегодного вылова (до 30 тыс. т.) за счет выпуска (порядка 90 млн. шт.) молоди как основного источника формирования запасов, способного не только компенсировать, но и превзойти потери в естественном воспроизводстве при гидростроительстве. Были достигнуты существенные объёмы выпуска, но заявленные планы не были реализованы. С 1998 г. осетровые включены в список Конвенции о международной торговле видами дикой фауны и флоры, находящимися под угрозой исчезновения. В настоящее время промышленный лов осетровых рыб Каспия в Российской Федерации запрещен.
В соответствии с определением Дж. Джефферса под системным анализом в экологии понимается упорядоченная организация данных в виде моделей, сопровождающаяся их анализом. К проблемам осетрового хозяйства математические методы анализа процесса формирования пополнения ранее не применялись. В работах по исследованию воспроизводства осетровых рыб Каспия характеристики сложной зависимости запас-пополнение не анализировались по причине незначительности коэффициента корреляции между этими величинами. Однако, как показали проведенные исследования, для популяций осетровых наблюдается нелинейная зависимость, влияющая на состояние запасов.
Актуальность разработки комплекса гибридных моделей обусловлена несовершенством существующих моделей, (например, наиболее известных моделей запас-пополнение У. Рикера и Дж. Шепарда), имеющих ограничения на использование в большом количестве ситуаций, в особенности при изучении биоресурсов,
подвергшихся чрезмерной эксплуатации. Наибольший темп восстановления численности согласно этим моделям наблюдается при деградации нерестового запаса, что противоречит известному в экологии принципу Олли.
Дискретная динамическая система с оператором эволюции в виде формул Рикера или Шепарда обладает возможностью появления топологически неэквивалентных фазовых портретов при плавном изменении параметра.
Показано, что математические модели, применяемые для описания системы «запас-пополнение» после работ У. Рикера (1954), Р. Бивертона и С. Холта (1957), Д. Кушинга (1973), Р. Петермана (1977), Дж. Шепарда (1982), требуют развития на основе междисциплинарного подхода, в том числе объединения с представлениями теории этапности развития организмов научной школы В.В. Васнецова. Обработка данных о естественном воспроизводстве севрюги Acipenser stellatus Pallas, 1771 привела к необходимости математической интерпретации эффекта волнообразной кривой запас-пополнение, установленного для данной популяции, отмечавшегося ранее для популяций горбуши, а так же наблюдавшегося в экспериментах (Е.В. Дмитриевой, 2007). Анализ информации о деградировавших под действием промысла популяциях дал возможность расширить представления о зависимостях в системе запас-пополнение вследствие того, что визуализированные данные не группируются в области устойчивого стационарного состояния. Изучение литературных источников (в частности материалов Journal Fisheries research board of Canada) о деградировавших популяциях показало возможность наличия качественно различных режимов в динамике некоторых популяций: стабильного состояния равновесия и апериодических флуктуации в меньшем диапазоне численности. Обобщение качественных изменений в исследуемых процессах привели к выводу о необходимости применения методов теории гибридных динамических систем для разработки новых моделей воспроизводства биоресурсов.
Цель и задачи работы. Целью работы является выработка и обоснование рекомендаций по повышению эффективности рыбоводной практики на основе комплексного моделирования и анализа взаимодействующих в экосистеме процессов и особенностей динамики управляемых популяций.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:
Анализ взаимодействия основных факторов с применением когнитивной структуризации на основе ретроспективных данных о динамике и антропогенном воздействии на биоресурсы для исследования причин современного состояния их запасов.
Разработка и исследование моделей формирования пополнения, отражающих важные эффекты, определённые по анализу данных и описаний в литературе, влияющие на динамику популяций рыб и эффективность эксплуатации: эффект Олли, волнообразный характер кривой воспроизводства, существование двух уровней численности и возможность резкого перехода в другой диапазон численности.
Определение характера влияния изменений промыслового режима и модификации методов искусственного воспроизводства биоресурсов. Выработка рекомендаций на основе результатов анализа модельных сценариев для реорганизации искусственного воспроизводства.
Методы исследований. При проведении исследований применен формализм знаковых когнитивных графов; методы теории дискретных динамических систем и математической статистики; математический аппарат представления гибридных систем. Анализ разработанных непрерывно-дискретных (гибридных) моделей проведен с применением инструментальной среды разработки комплексных моделей (AnyLogic5). Использован пакет прикладных программ для статистического анализа методом скользящей средней и визуализации данных о воспроизводстве популяций. Изучены опубликованные данные наблюдений, проводимых Центральным НИИ осетрового хозяйства, Каспийским НИИ рыбного хозяйства, Всероссийским НИИ рыбного хозяйства и океанографии.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Разработан комплекс моделей, описывающих процесс пополнения популяций рыб и отличающихся от ранее предлагавшихся в рассматриваемой предметной области тем, что в них учитываются: эффект Олли и наличие критически низкой численности для популяции; волнообразный характер кривой воспроизводства; возможность стабилизации со снижением численности в условиях масштабного искусственного воспроизводства; наличие двух уровней численности, в которых может длительное время существовать популяция; возможность перехода на другой уровень численности или вымирания. Моделируемые эффекты отмечались в работах гидробиологов Ф. Нива (1953), Дж. Хелдена (1953), У. Рикера (1963), Д. Джонса и К. Уолтерса (1976) и др., но не получили математической интерпретации.
Предложена оригинальная непрерывно-дискретная структура моделей с гибридным представлением модельного времени, реализовавшая дифференцированное описание динамики убыли численности поколения на разных этапах развития особей. На основе алгоритмического представления данной структуры в инструментальной среде получена возможность анализировать влияния изменений технологии искусственного воспроизводства.
Разработана и исследована динамическая система, траектория которой позволяет описывать свойственный некоторым популяциям рыб режим изменений, характеризующийся появлением апериодических флуктуации. Возникновение апериодического режима без сценария перехода к хаосу через каскад бифуркаций реализуется в результате образования в фазовом пространстве не являющегося аттрактором хаотического множества при наличии двух неустойчивых нетривиальных стационарных состояний и сложно структурированных областей притяжения двух аттракторов с локально-несвязной границей.
Теоретическая значимость выполненных исследований состоит в применении гибридных автоматов с непрерывно-дискретным представлением времени для исследования качественных изменений в состоянии биоресурсов.
Практическая значимость заключается в проведённом ретроспективном анализе процессов, связанных с динамикой популяций осетровых рыб Каспия. С применением знакового графа, описывающего взаимовлияние различных факто-
ров, показано, что управление биоресурсами путем изменения состава населяющих экосистему видов делает проблематичным долговременное прогнозирование состояния запасов по отношению к влиянию изменений среды. Концептуальная структуризация и результаты исследований импульсного процесса в орграфе позволили рассматривать эффект обратной связи, возникающий при массовом одномоментном выпуске молоди. Показано, что возможности управления состоянием промыслового стада за счет организации выращивания в искусственных условиях молоди существенно переоценены в определенных ранее прогнозах. В модельном эксперименте проанализированы причины резкого падения уловов осетровых после периода незначительного, но последовательного его уменьшения, связанные с особенностями искусственного и естественного воспроизводства. На основе проведенных исследований предложены пути оптимизации рыбоводного процесса. Предложенный подход разработки гибридных моделей может применяться для задач принятия и оценки решений при управлении различными видами биоресурсов. Проводимые исследования поддержаны грантами Правительства Санкт-Петербурга (грант 30-04/97), РФФИ (07-07-00169а).
Получены акты внедрения результатов работы в Институте эволюционной физиологии и биохимии РАН, Волгоградском отделении Государственного научно-исследовательского института озёрного и речного рыбного хозяйства, Агентстве по рыболовству и рыбоводству Астраханской области.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты анализа процессов, приведших к деградации популяций осетровых Каспийского моря, позволившего на основе формальных методов когнитивной структуризации установить нелинейный характер зависимости между величинами запаса и пополнения этих рыб.
Комплекс гибридных моделей формирования пополнения, отражающих наблюдаемые особенности формы зависимости запаса и пополнения и ряд нелинейных эффектов в динамике популяций рыб.
Практические рекомендации по совершенствованию рыбоводного процесса на основе модельной оценки критерия эффективности для различных сценариев модификации технологии интродукции молоди.
Обоснованность и достоверность научных положений диссертации подтверждаются преемственностью основных результатов, сравнительным анализом предшествующих научных разработок, соответствием полученных модельных выводов данным о воспроизводстве, динамике, особенностям эксплуатации популяций по работам Р. Петермана (1977), Д. Кушинга (1974), Р. Риклефса (1979), В.Кристи (1954), Ф.Нива (1953), У. Рикера (1973), Д. Ле Крена (1973), Д. Джонса и К. Уолтерса (1976), результатам опытов Е.В. Дмитриевой (2007).
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на П-ой международной конференции молодых учёных «Комплексные исследования биологических ресурсов южных моей и рек» (Астрахань, 2007); VII и VIII Всероссийской конференции молодых учёных по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2006; Новосибирск, 2007); 6-ой Курчатовской молодежной научной школе (Москва, 2008); X Международной научно-практической конференции «Компьютерное моделирование» (Санкт-Петербург,
2009). IV Всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах, в том числе 12 в журналах перечня ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста с 32 рисунками, и списком литературы из 167 наименований. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Похожие диссертации на Анализ динамики возобновляемых биоресурсов с использованием комплекса гибридных моделей
