Введение к работе
Состояние вопроса. В настоящее время в связи с интенсивным развитием техники и промышленности актуальными стали задачи экологической безопасности, в том числе и морской среды. Осуществление технических проектов, влияющих на состояние морской среды не должно производиться без предварительного изучения и оценки их последствий ( методом "проб и ошибок"). Необходимо заранее оценивать риск для экосистем от деятельности данного вида.
Задача автоматизации физических исследований экологических и геофизических процессов и объектов решается на основе методов математического моделирования сложных систем с использованием современных вычислительных средств.
Существует несколько подходов к моделированию экосистем: широкоизвестный - экосистемный [В. И.Беляев,1978-1995], [А.Б. Горстко, 1974-1995], [В.Ф. Крапивин,1978-1994] и мало известный - экоскрининговый [Б.С.Флейшман,1989-1995].
Каждый из указанных подходов позволяет решать лишь часть задачи, связанной с экологической безопасностью. Реализация с помощью вычислительных средств экосистемных моделей, основанных на нелинейных дифференициальных уравнениях в частных производных, позволяет проводить численные эксперименты по расчету последствий применения тех или иных технологий или внедрения различных технических проектов, связанных с воздействием на морскую экологическую систему.
Экосистемные модели строятся на основе обобщенных представлений об отдельных процессах и явлениях, основываясь на фундаментальных законах сохранения вещества и энергии. При этом соблюдается принцип иерархичности, опирающийся на объективно существующую иерархию процессов в природе, их распределение по пространственно-временным масштабам и роли в определении общего состояния системы. Связи, учтенные в системе могут соединять элементы, изучаемые в различных научных дисциплинах, что ведет к включению этих элементов в соответствующие модели, которые в результате приобретают междисциплинарный характер.
Экоскрининговый подход в автоматизации физических исследований экологических процессов сравнительно-молодой,начиная с с 90-х годов он развивается на основе моделей системологии [Б.С.Флейшман,1989]. Экоскрининговые модели позволяют дать
- 2 -грубые, но на имеющихся данных неулучшаемые оценки риска для экосистемы от эксплуатации технической системы. Соотношения экоскрининга не вводятся., а выводятся из аксиом теории ве-рятности. Целью такого подхода является достижение допустимого риска биосистем, составляющих экосистему, минимальными затратами на проведение природоохранных мероприятий. При этом грубость оценок зависит от объема привлеченной информации об исследуемом объекте. При минимуме такой информации оценки риска становятся тривиальными. С другой стороны, использование экспериментальных и натурных данных не всегда оправдано и возможно.
Актуальность проблемы. Синтез двух указанных подходов позволяет комплексно решить задачу экологической безопасности - дать оценку внутригодовых вариаций и полей риска для экосистемы в условиях интенсивного антропогенного воздействия. При этом в экоскрининговых оценочных моделях используются входные данные, полученные на основе численных экспериментов, проведенных по экосистемной модели. Полученные в результате такого синтеза оценки отражают допустимую вероятность риска как отдельных биосистем (популяций), так и их совокупности. На основе полученных результатов дается оценка допустимой вероятности антропогенных воздействий, в том числе возможных аварий или штатных режимов эксплуатации технических систем. Последнее становится особенно актуальным в условиях интенсивной разработки полезных ископаемых на морском шельфе. Важнейшим в экономическом смысле при получении таких оценок является первичность определения величины допустимого риска биосистемы, а не наоборот - допустимой интенсивности антропогенного воздействия. Это позволяет определять стоимость надежностного обеспечения технической системы исходя из допустимых значений риска экосистемы.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы явился синтез экосистемного и экоскринингового моделирования для решения задач экологической безопасности морского шельфа. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач.
1. Основываясь на экосистемном подходе модифицировать математическую модель экологической системы шельфа, адекватно отражающую состояние реального объекта для использования ее
в экоскрининговых моделях риска. С помощью модели провести серии численных экспериментов по моделированию последствий антропогенных воздействий на исследуемой акватории.
-
Модифицировать модели экоскрининга для оценки внутри-годовых вариаций риска и полей риска с использованием модели экосистемы шельфа.
-
Осуществить синтез модели экосистемы шельфа и моделей экоскрининга; дать оценку пространственно- временных вариаций риска биосистемы в условиях интенсивного антропогенного воздействия, оценку допустимого риска для экосистемы и допустимой вероятности антропогенного воздействия, включая вероятности аварии и штатного режима функционирования технической системы.
-
Осуществить практическую реализацию синтеза экосистем-ного и экоскринингового подходов для акваторий различных пространственно-временных масштабов, процессов и составляющих элементов.
Практическая значимость.
Обобщение двух независимо существующих подходов в одном синтетическом позволяет перейти к решению практических задач оценки риска для экосистем различных пространственно-временных масштабов, подверженных различным видами антропогенного воздействия.
Такая реализация была осуществлена для экосистем северо-западного шельфа Черного моря, Гданьского залива Балтийского моря, для акватории шельфа о.Сахалин.- Результаты, получение на основе серий численных экспериментов позволили оценить внутригодовые и пространственные вариации риска от сброса промышленных стоков, повышающих смертность зоопланктона, на шельф Черного моря. Проведены численные эксперименты по моделированию распространения буровых растворов по акватории шельфа о.Сахалин. На основе полученных результатов и синтезированных моделей рассчитаны поля риска для этих условий.
В экономическом смысле при получении таких оценок первичность определения величины допустимого риска биосистемы, а не наоборот - допустимой интенсивности антропогенного воздействия, важно для определения стоимости надежностного обеспечения технической системы.
Достоверность проведенных результатов, полученных в расчетах по математической модели экосистемы шельфа подтверждается сравнением -со всеми имеющимися данными наблюдений за компонентами экосистемы, а также сравнением рассчитанных оптических характеристик с наблюдаемыми.
Научная новизна определяется следующими важными результатами. Впервые осуществлен синтез двух независимых подходов экосистемного и экоскринингового, что позволило получить новое качество метода для решения задач экологической безопасности, получения оценок пространственно-временных вариаций риска шельфовых экосистем, находящихся в условиях анторопогенных загрязнений. Проведены расчеты внутригодового риска и полей риска. На основе полученных результатов дана оценка допустимой вероятности антропогенных воздействий, в том числе возможных аварий или штатных режимов эксплуатации технических систем. Последнее становится особенно актуальным в условиях интенсивной разработки полезных ископаемых на морском шельфе.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на конференциях "Экология и рациональное использование природных ресурсов Южного региона Украины" (Севастополь, 1984), "Рациональное использование ресурсов моря - важнейший вклад в реализацию продовольственной программы" (Севастополь, 1984), II Всесоюзной математической школе по теории управления и исследованию операций (Черновцы, ВЦ АН СССР.1986), X, XI, XII школах-семинарах молодых ученых "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования (Новороссийск, НИИМиПМ РГУ, 1986-1988), семинаре лаборатории математической экологии ВЦ АН СССР (Москва, 1986), семинаре кафедры физики моря физического факультета МГУ (Москва,1988), семинаре межлабораторной группы Института океанологии АН СССР (Москва.1987), Ученом совете Морского гидрофизического института АН УССР (Севастополь, 1987), семинаре отдела оптики и биофизики моря МГИ НАН Украины (Севастополь, 1992), Всесоюзной конференции "Математическое моделирование: нелинейные проблемы и вычислительная математика" (Звенигород, ИПМ им. М.В.Келдыша, 1988), конференции "Совершенствование управления развитием рекреационных систем" (Севастополь, МГИ. ИНБЮМ АН УССР, 1986), ежегодных семинарах по моделированию функционирования развивающихся систем (Славское, 1987-1991. Ин-т кибернетики им.В.М.Глушкова),
- 5 -Всесоюзной конференции "Космические методы изучения биосферы" (Звенигород, Ин-т географии АН СССР, 1988), XI Всесоюзной школе по математическому моделированию сложных биологических систем (Звенигород, ВЦ АН СССР, 1989), Всесоюзной школе по изучению систем искусственного интеллекта (ВЦ АН СССР, 1990), 49-й Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва,1994), научных семинарах Института океанологии Польской Академии Наук (Сопот. ИО ПАН, 1988-1991), научных семинарах отдела экологических проблем ИО им.П.П.Ширшова, 1994-1995.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них одна монография совместно с В.И.Беляевым и одна коллективная монография.Список наиболее важных из них приведен в конце реферата.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из трех частей: I. Состояние проблемы устойчивости сложных морских экологических систем (главы 1,2). П. Синтез экосистемных и экоскрининговых моделей (главы 3,4). III. Приложение методики синтеза экосистемного и экоскринингового подходов к оценке экологической безопасности реальных природных объектов (главы 5,6,7). Эта структура отражает этапы исследования и их взаимосвязь. Текст диссертации включает 249 страницы, включая 19 страниц приложения, и содержит 52 иллюстраций, список литературы содержит 194 наименования.
