Введение к работе
Актуальность исследований. В последние десятилетия резко возросло воздействие человека на окружающую среду. Стало очевидным, что бесконтрольная эксплуатация природы может привести к весьма серьезным негативным последствиям.
Известно, что состояние экосистем изменяется под влиянием естественных и антропогенных воздействий, причем изменения под влиянием антропогенных факторов происходят значительно быстрее. Некоторые антропогенные воздействия приводят к резко отрицательным последствиям, с которыми экосистемы справиться не в состоянии. В первую очередь это относится к загрязнению биосферы химическими веществами, не свойственными природе, нарушению природных геохимических циклов.
Это относится и к интенсивному, нерациональному использованию природных ресурсов, при котором может подрываться сама возможность природы к воспроизводству возобновимых ресурсов.
В сложившейся ситуации представляется чрезвычайно важным изучение состояния природной среды, ее непрерывных изменений, определение тенденций этих изменений.
Необходимо рассмотрение как естественных изменений состояния окружающей природной среды, так и изменений, которые вызываются антропогенными воздействиями, накладываются на естественные изменения, а иногда и усиливают их. Кроме того, необходимо изучение экологического резерва биосферы, значение которого, наряду с оценкой состояния природной среды, позволяет правильно использовать существующие природные возможности и ресурсы и на научной основе построить управление природопользованием и качеством среды. При таком изучении особое внимание необходимо обратить на критические факторы, с которыми связана неустойчивость природных процессов в экосистемах.
В связи с этим изучение и выделение антропогенных изменений и колебаний состояния окружающей среды на фоне естественных
4 представляет собой сложную и актуальную задачу.
Так как загрязнение природной среды и другие антропогенные воздействия относительно "замкнуты" в пределах территориально-экономических районов, то важное значение приобретает анализ экосистем в региональном масштабе.
Необходимость проведения настоящих исследований вызвана критическим состоянием лесонасаждений в районе г. Братска в результате длительного воздействия промышленных выбросов.
Наличие крупных промышленных предприятий обусловливает поступление в природную среду через атмосферу значительного количества техногенного вещества в виде пыли, обогащенной рядом химических элементов, оседающей, в основном, в верхнем дерновом горизонте почв. Общая деградация растительности с почти полной сменой ее состава и разрушением структуры, появление низкорослых карликовых форм хвойных и лиственных пород деревьев, хлороз и некроз листьев, потеря возможности самовозобновления коренной растительности - это основной перечень .наблюдающихся негативных последствий. Все они составляют общую картину массового поражения лесов в районе г. Братска.
С 1994 года в Братске ведутся исследования в рамках "Федеральной целевой прграммы неотложных мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической обстановки и здоровья населения г. Братска" (Постановление правительства РФ № 376 от 23 апреля 1994 г.).
В диссертации проводится исследование по одному из основных направлений целевой программы: оценка функционирования лесной экосистемы на региональном уровне и разработка мер, направленных на снижение деградации лесонасаждений.
Цель диссертационной работы. На основе изучения особенностей деградации лесонасаждений в условиях длительного воздействия промышленных эмиссий разработать системные принципы моделирования
5 состояния лесов в зонах антропогенного воздействия.
Разработать функциональную схему биогенеза лесных массивов с учетом влияния воздушной, водной и почвенной сред.
Вывод уравнения закона управления лесной экосистемой.
На основании модели процессов в лесных экосистемах разработать алгоритм управляющих воздействий, обеспечивающий контроль и регулирование состояния лесных массивов.
Разработать рекомендации устойчивого лесопользования на основе закона управления.
Методы исследования. При разработке математической модели процессов лесных экосистем использовались методы теории систем управления, методы теории графов, матричного исчисления, методы регрессионного анализа. Результаты работы получены с помощью ППП Microsoft Excel 7.0 для Windows 98.
Научная новизна работы
1 .Лесной биогенез предлагается рассматривать как многосвязный объект управления, охватывающий несколько физических сред взаимодействия.
В качестве компонентов модели предлагаются: блок роста и развития древостоев; блок среды обитания, описывающий процессы энерго- и массообмена в приземном слое воздуха и почвенной толще; блок антропогенных воздействий, изменяющих воднофизические характеристики почвы, характеристики растительного покрова.
2.Получен закон управления процессами территориальных лесных экосистем.
3.Разработаны рекомендации комплекса мероприятий,
способствующих реализации устойчивого лесопользования.
4.Решены частные вопросы, используемые в процессе моделирования многосвязной системы управления состоянием лесных массивов в условиях антропогенного воздействия:
выделены основные" параметры процессов местного биогеоценоза, построена функциональная схема объекта исследования;
обосновывается необходимая и достаточная размерность пространства управляющих факторов;
определена возможность и методика понижения порядка матричного уравнения;
получено регрессионное уравнение закона управления, определена значимость коэффициентов уравнения регрессии.
Положения, выносимые на защиту;
постановка задачи системного моделирования процессов территориальных лесных экосистем;
обоснование возможности применения аппарата структурных графов для моделирования объекта исследования;
топологическая модель состояния лесных массивов в условиях длительного антропогенного воздействия;
вывод уравнения закона управления состоянием лесных экосистем в зонах антропогенной нагрузки;
алгоритм управляющих воздействий на лесные экосистемы
Практическая ценность работы. Исследования автора выполнялись в рамках госбюджетной тематики «Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами» (код ГАРНТИ 271919), выполняемой в Братском государственном техническом университете по направлению «Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления».
Внедрение результатов исследования в практику осуществлялось на кафедре «Лесоинженерное дело» БрГТУ в рамках госбюджетной темы «Разработка основ рационального лесопользования на базе мониторинга лесных экосистем, подверженных антропогенному воздействию» (№ г.р. 01980005944), а также по теме «Разработка биотехнологических процессов улучшения экологического состояния лесов и водоемов в районе г. Братска с
7 целью получения изделий из древесины» в рамках Российской инновационной научно-технической программы «Биологические системы, биотехнологические процессы и переработка растительного сырья».
Апробация работы. Результаты работы были представлены в составе экспозиции БрИИ «Прогнозирование прироста леса в результате промышленного воздействия на биосферу» - Англия, апрель 1994 г.; в составе экспозиции Иркутской области «Организация экологического мониторинга в зонах промышленных выбросов (система управления экологическим состоянием воздушного бассейна промышленных городов)» -г.Сеул (Корея), декабрь 1994 г.; экспонировались на выставке-ярмарке-семинаре в г.Иркутске, июнь 1995 г.; на выставке-ярмарке «Сиблесопопьзование-96», октябрь 1996 г.; на Братской универсальной ярмарке, декабрь 1997 г.; на выставке-ярмарке с международным участием «Сиблесопользование-99», октябрь 1999г.
Основные результаты работы докладывались:
на XX научно-технической конференции Братского государственного индустриального института (Братск, апрель 1999 г.).
на IV Всероссийской студенческой научно-практической конференции с международным участием «Взаимоотношение общества и природы: история, современность и проблемы безопасности"» (Иркутск, 19-22 апреля 1999 г.).
на международной научно-практической конференции «Экология. Образование. Здоровье» (Байкальск, 12-14 июля 1999 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 6 статей, 2 тезиса докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 120 страниц, включая 24 рисунка и 9 таблиц. Список литературы содержит 73 наименования.
