Моделирование водных экосистем

Основной задачей математического моделирования водных экоси­стем является количественное описание внутренних связей и процессов, обусловливающих развитие этих сложных природных комплексов. Экосистемное моделирование используется для изучения биохимических, энергетических потоков в экосистеме, биологической продуктивности водных объектов, динамики популяций, межвидового взаимодействия, динамики экосистемных процессов под влиянием естественных и антропогенных воздействий.

Моделирование экосистем – это пример использования имитационных моделей в экологии. Имитационное моделирование — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Имитационные математические модели в гидроэкологии описывают гидробиологичес­кие и прочие процессы, происходящие в водных объектах, и устанавливают зависимости между показателями состояния водных экосистем и харак­теристиками внешнего воздействия на них при различных гипотезах о характере загрязнения.

Экосистемные модели должны учитывать большое количество разнообразных компонентов. Модельный биоценоз должен быть представлен основными, дифференцированными по экологическим признакам, ком­понентами природных сообществ. На моделях должны воспроизводить­ся круговороты основных химических элементов. Модели должны учи­тывать возможные антропогенные поступления веществ. В состав компонентов моделей необходимо включить основные виды загряз­няющих веществ. Модели должны учитывать последние достижения эколого-токсикологического скрининга экосистем, эффекты синергиз­ма, антагонизма, суммации. При моделировании должны учитываться также: физико-динамические процессы, обуславливающие перенос компонентов в пространстве; обмен веществом и энергией через грани­цы экосистемы. При параметризации интенсивностей обменных про­цессов должны использоваться многофакторные зависимости. На моде­лях воспроизводятся сценарии различных экологических ситуаций и количественно оцениваются последствия антропогенных воздействий на экосистемы (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 252).

Помимо того, что все эти факторы трудно учесть, необходимо помнить еще и о принципе несовместимости (см. п. 3.1): усложнение модели часто ведет к потере ее адекватности, и зачастую простая модель гораздо лучше моделирует исследуемый процесс или характеристику, чем сложная, многокомпонентная, но создание которой, безусловно, ушло больше времени. Все факторы учесть при моделировании невозможно, и модель всегда отражает лишь одну сторону исследуемого объекта - согласно целям моделирования.

Любая экологическая система включает в се­бя большое количество биотических и абиотических составляющих, но их роль в жизни экосистемы неодинакова. Поскольку любая модель призвана отражать лишь основные особенности развития приро­ды, поэтому из всего многообра­зия внутрисистемных связей при моделировании, как правило, учиты­ваются, лишь главные связи между компонентами (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 254).

Состав компонентов модели, в конечном счете, определяется харак­тером решаемой задачи и массивом натурных данных. При этом часто приходится вводить в модель обобщенные (агрегированные) компонен­ты. Для биоценоза агрегирование может проводиться в соответствии с таксономической структурой сообщества, экологическими или физиоло­гическими особенностями видов. Наиболее крупными агрегированными единицами являются фитопланктонное, зоопланктонное и бактерио-планктонное сообщества в целом, без детализации их таксономической и эколого-физиологической структур. Другим примером агрегирования компонентов, относящихся к биотопу, служит детрит, по определению состоящий из отмерших и находящихся на различной стадии разложения клеток, а также продуктов метаболизма живых организмов (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 254).

Очевидно, что водная экосистема - многокомпонентная система со сложными связями и механизмами взаимодействия. Можно выделить несколько типов водных экосистем, самым простым и одновременно принципиальным является деление их на экосистемы текучих водных объектов (реки, ручьи, протоки, "движущаяся" вода) и стоячих водоемов (озера, пруды, карьеры). Водотоки представляют собой более открытые и подвижные экосистемы, замкнутые водоемы - относительно замкнутые экосистемы. Это дает принципиальную разницу при моделировании экосистем разных типов водных объектов: если в замкнутых стоячих водоемах движением и перемешиванием воды можно в значительной степени пренебречь, то при моделировании водотоков переносом водных масс пренебречь невозможно.

Абиотические компоненты моделей водных экосистем

Рассмотрим в общем группы абиотических факторов, которые оказывают значительное влияние на функционирование водных экосистем и которые необходимо учитывать при создании моделей.

1. Морфометрические характеристики: глубина водного объекта, ширина, длина, площадь, крутизна уклона дна, изрезанность береговой линии, наличие мелководных участков, количество водотоков, форма долины и русла реки, формы рельефа, извилистость, разветвленность.

2. Геологические характеристики: состав слагающих дно и берег водного объекта горных пород и почв, механические характеристики.

3. Геоботанические характеристики: растительность на берегу.

4. Метеорологические характеристики: атмосферные осадки (вид, интенсивность, количество), скорость и направление ветра, характер волнения, наличие облачности и ее степень, преобладающие типы облаков, температура и влажность воздуха, режим освещения.

5. Гидрологический режим реки: скорость течения реки, расход, уровень воды в реке в разные периоды года, характерные особенности изменения состояния реки во времени.

6. Гидродинамические характеристики: характеристики процессов переноса водных масс, растворенных веществ и биоты, структура потоков и распределения веществ.

7. Гидрохимические свойства воды: состав органических и неорганических элементов и взвешенных частиц, растворенный кислород, водородный показатель.

Наибольший интерес представляют биогенные элементы, в частности углерод, азот, фосфор и кисло­род. Помимо указанных элементов в ряде случаев может возникнуть необходимость учета серы, кремния, железа, магния, кальция и др.

8. Прочие физические свойства волы: цветность воды, прозрачность и мутность, запах, привкус, пенистость.

В экосистемном моделировании используются модели смежных гидрологических дисциплин: гидродинамики, гидрометеорологии, гидрохимии. Экосистемные модели строятся на уравнениях гидродинамики жидкости. Эти уравнения описывают процессы переноса воды, биоты и растворенных веществ в водоемах, структуру потоков и распределения веществ, условия перемешивания водных масс и их переноса внутри водоемов. Процессы трансформации химических элементов в водных объектах описываются уравнения гидрохимии.

Таким образом, гидроэкологическая модель не является полностью самостоятельной. Гидроэкологические исследования базируются на фундаменте знаний и достижений смежных научных дисциплин. Процессы, изучаемые этими отдельными дисциплинами. определяют условия обитания гидробионтов, регулируют основные процессы функционирования экосистемы. Экологические исследования - комплексные, межотраслевые, целиком построенные на принципах системности.

В последующих разделах пособия будут подробно рассмотрены некоторые примеры моделирования для решения задач гидроэкологии – принципы моделирования качества воды на основе схематизации процесса конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ, даны, примеры моделей для р. Нева, Невской губы, экосистемы прибрежных зон Финского залива, примеры задач на расчет переноса и распространения примесей, солей и температуры (тепломассоперенос) в водных объектах.

В заключение раздела приведем краткий обзор принципиально другого типа моделей, также используемых для решения задач гидроэкологии – эколого-экономические оптимизационные модели.