Введение к работе
Актуальность темы. Проблемы охраны и рационального использования природных ресурсов в последние десятилетия неизменно находятся в центре обществешюго и научного внимания. Азовское море, расположенное в пределах экономически развитых территориально-производствеїпшх регионов юга России и Украины, испытывает в течение последнего времени интенсивное антропогешюе воздействие. Изменение режима и объёма пресного стока, в первую очередь Дона и Кубани, привело к разнообразным нарушениям естественного течения процессов на всех без исключения иерархических уровнях экосистемы, дисбалансу основных физико-химических и биологических параметров моря. Кроме того, Азовское море на протяжении длительного периода используется как конечный элемент в системе утилизации промышленных и бытовых отходов городов Приазовья. Указанные факторы обусловили значительное загрязнение части акватории, снижение некогда огромного рыбохозяйственного потенциала
В связи с этим, количественное исследоваїше и математическое моделиро-ваіше биотического баланса и биопродуктивности Азовского моря имеет теоретическое и практическое значение. Основу пелагических биоценозов составляют фитопланктоїшьіе сообщества. Именно фитопланктон вырабатывает более 90% органического вещества (ОВ) морей, океанов и пресных вод, используя солнечную энергию и минеральные вещества. Синтезированное ОВ (первичная продукция), служит фундаментом, на котором строится вся трофическая пирамида водоёма. Таким образом, первичная продуктивность определяет общую биопродуктивность водоемов, а часто и качество их вод. В этом и состоит большое значение исследований процессов, связанных с образованием и трансформацией первичной продукции, кислородного режима.
Помимо сугубо утилитарных аспектов, интерес вызывает своеобразие водной экосистемы Азовского моря как целостного объекта, обладающего болытш
числом обратных связей и сложным динамическим поведением. Наряду с прикладным, изучение и моделирование биогенного баланса и биологического круговорота имеет большое теоретическое значение. Прежде всего это - анализ основных закономерностей динамического поведения, устойчивости
Первым фундаментальным исследованием, обобщившим естественно-научные материалы по Азовскому морю в віще математических моделей, была Имитациоішая Система (ИС) "Азовское море", созданная в 1974-1985 гг. под руководством академика РАН И.И. Воровича, чл.-корр. РАН Ю.А. Жданова, профессора А.Б. Горстко. Настоящая работа посвящена более детальному изучению отдельных аспектов функционирования экосистемы.
Цель и задачи работы. Основной целью проведенных исследований является изучение степени влияния изменения объема стока рек и роста биогсішой нагрузки на продукционные характеристики и кислородный режим экосистемы Азовского моря.
Для достижения этой цели в работе решены следующие задачи:
проанализированы имеющиеся материалы по математическому моделированию в задачах оценки, прогнозирования и управления экологическим состояішем водных объектов;
исследованы и систематизированы основные морфологические, гидрологические, гидрометеорологические и гидробиологические характеристики Азовского моря;
разработана система моделей для исследования и прогнозирования внутригодовой динамики и изменчивости многолетнего хода первичной продукции и биогенного баланса, связанных с вариациями водного баланса и входных концентраций азота и фосфора;
выработана методика расчета водно-солевого, биотического и биогенного баланса Азовского моря;
исследована характеристика кислородного режима и дана количественная оценка зависимости концентрации растворенного кислорода в воде от
меняющихся гидрометеорологических и гидробиологических условий в море;
проведено качественное математическое исследование моделей кинетики биологических процессов в водоемах.
Материалы и методы исследования. В качестве фактического материала были использованы опубликованные работы многолетних исследовашга Азовского НИИ рыбного хозяйства, Государственного океанографического института (ГОИН), и отдельных авторов, ссылки на которых приведены в перечне литературных источников. Теоретической основой исследования являются методы математического моделирования и системного анализа, методы иселедоваїшя устойчивости систем обыкновенных диффереіщиальньїх уравнений и асимптотические методы их анализа. Наряду с аналитическими методами широко использовались методы имитационного моделирования.
Научная новизна. Разработанный в диссертации комплекс моделей для исследования и прогнозирования динамики трофического состояния, водного и биогенного баланса Азовского моря имеет модульную структуру, преимущества которой заключаются в том, что каждый отдельный модельный блок может работать автономно и во взаимодействии с другими блоками.
При построении комплекса математических моделей были использованы с теоретической точки зрения два подхода: физический, основанный на моделировании физических процессов (водный баланс, кислородный режим), и кибернетический, который в моделях отражает наши представления о функциотфовании и взаимодействии всех звеньев трофической структуры экосистемы моря и связи их с внешними факторами.
В работе предложена новая методика построения и расчета биотического баланса, согласно которой возможно проанализировать трофическую структуру водоема, оценить чувствительность отдельных звеньев к изменению биопродукционных характеристик других.
При исследовании модели первичного круговорота в водной экосистеме доказана устоичішость решеїшя в существенно особом критическом
(трансцендентном) случае. В задаче кинетики взаимодействий минеральных и органических компонентов установлена асимптотическая устойчивость в целом на основе теоремы Барбашина-Красовского и впервые с использованием техники регуляризации сингулярных возмущений С.АЛомова изучен начальный участок процесса и найдены максимальная концентрация продукта реакции и время ее достижения.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается результатами имитационного моделирования на ПЭВМ, экспертной проверкой численных экспериментов с результатами натурных наблюдений, проведенных специалистами Азовского НИИ рыбного хозяйства.
Теоретическая значимость и практическая ценность. Получеїшьіе результаты могут быть использованы природоохранными органами, водо- и рыбохозяйственными организациями для целей планирования, разработки схем рационального использования, охраны водных ресурсов Азовского бассейна. На основе численных экспериментальных расчетов по разработанным моделям возможно дать прогнозную оценку последствий влияния на экосистему Азовского моря роста безвозвратного водопотребления и биогенной нагрузки, выявить районы антропогешгого эвтрофировщшя и развития зон дефицита кислорода.
Приведенные аналитические, качественные и численные решения математических моделей кинетики первичных звеньев экосистемы могут быть применены при анализе и других морских или озерных экосистем.
Апробация работы. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, докладывались автором на всесоюзных школах-семинарах "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (9 и 10 школа-семинар, г. Новороссийск, 1985-1986 гг.), на межвузовской конференции "Математические модели и краевые задачи" в г. Самаре (1996 г.), межвузовском совещании-семинаре "Комплексное использоваїше и охрана водных ресурсов" в г. Новочеркасске (1995 г.), а также неоднократно обсуждались на научных семинарах отдела "Математические методы в
экономике и экологии" НИИ механики и прикладной математики РГУ. Апробация диссертационной работы в целом проведена на совместном семинаре НИИМ и ПМ, ВЦ, и кафедры прикладной математики и программирования РГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ.
Объем и структура диссертации. Данная диссертационная работа включает введение, три главы, заключение, список литературы и приложения. Общий объем диссертационной работы - 150 страїшц, в том числе: 142 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 9 рисунков, 3 приложения. Список использованной литературы содержит 325 наименований.