Моделирование природных процессов это

Вопрос 3. Моделирование природных процессов в решении экологических проблем

Надорганизменные системы (популяции, биоценозы, экосистемы, биосфера), изучаемые экологией, чрезвычайно сложны. В них возникает большое количество взаимосвязей, сила и постоянство которых непрерывно меняются. Одни и те же внешние воздействия нередко приводят к различным, а иногда и к противоположным результатам. Это зависит от состояния, в котором находилась система в момент воздействия. На действие конкретных факторов предвидеть ответные реакции системы можно только через сложный анализ существующих в ней количественных взаимоотношений и закономерностей. Поэтому широкое распространение в экологии получило моделирование, особенно при изучении и прогнозировании природных процессов.

Термин «модель» имеет целый ряд смысловых значений: 1) физическое (вещественно-натуральное) или знаковое (математическое, логическое) подобие (обычно упрощенное) реального объекта, явления или процесса; 2) уменьшенное подобие реального объекта. Отличают действующую модель и только имитирующую форму чего-то (макет); 3) схема, изображение или описание какого-либо явления или процесса в природе и обществе.

В экологии под моделью довольно часто понимается материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе исследования замещает объект-оригинал, и его непосредственное изучение дает новые знания об объекте-оригинале. Модель неизбежно упрощает действительность и в то же время показывает особенно ярко элементы и связи, интересующие ученого.

Моделирование — метод исследования сложных объектов, явлений и процессов путем их упрощенного имитирования (натурного, математического, логического). Основывается на теории подобия (сходства) с объектом-аналогом.

Важнейшие требования к любой модели — ее подобие с моделируемым предметом и наличие следующих свойств:

— модель — это увеличенное (клетка) или уменьшенное (глобус) подобие объекта;

— модель может замедлить быстро протекающие процессы или ускорить медленно протекающие;

— модель упрощает реальный процесс, что дает возможность обратить внимание на главную сущность объекта.

Модели принято делить на две группы: материальные(предметные) и идеальные(мысленные).

Из материальных моделей наиболее широко распространены в природопользовании физические модели. Например, при создании крупных проектов, таких, как строительство ГЭС, связанных с изменениями окружающей природной среды. Вначале строятся уменьшенные модели устройств и сооружений, на которых исследуются процессы, происходящие при заранее запрограммированных воздействиях.

Со второй половины XX в. среди видов моделей в экологии все большее значение приобретают идеальные: математические, кибернетические, имитационные, графические модели.

Суть математического моделирования заключается в том, что с помощью математических символов строится абстрактное упрощенное подобие изучаемой системы. Далее, меняя значение отдельных параметров, исследуют, как поведет себя данная искусственная система, т.е. как изменится конечный результат.

Математические модели, строящиеся с применением ЭВМ, называют кибернетическими.

Исследования, в которых ЭВМ играет важную роль в самом процессе построения модели и проведения модельных экспериментов, получило название имитационного моделирования,а соответствующие модели — имитационных.

Графические модели представляют блоковые схемы или раскрывают зависимость между процессами в виде таблицы-графика. Графическая модель позволяет конструировать сложные эко- и геосистемы.

По охвату территории все модели могут быть: локальными, региональными и глобальными.

В построении математических моделей сложных природных процессов выделяются следующие этапы:

1. Реальные явления, которые планируется смоделировать, должны быть тщательно изучены: выявлены главные компоненты и установлены законы, определяющие характер взаимодействия между ними. Если неясно, как связаны между собой реальные объекты, построение адекватной модели невозможно. На данном этапе нужно сформулировать вопросы, на которые ответ должна дать модель. Прежде чем строить математическую модель природного явления, надо иметь гипотезу о его течении.

2. Разрабатывается математическая теория, описывающая изучаемые процессы с необходимой деятельностью. На ее основе строится модель в виде абстрактных взаимодействий. Установленные законы должны быть облечены в точную математическую форму. Конкретные модели могут быть предоставлены в аналитической форме (системой аналитических уравнений) или в виде логической схемы машинной программы. Модель природного явления есть строгое математическое выражение сформулированной гипотезы.

3. Проверка модели — расчет на основе модели и сличения результатов с действительностью. При этом проверяется правильность сформулированной гипотезы. При значительном расхождении сведений модель отвергают или совершенствуют. При согласованности результатов модели используют для прогноза, вводя в них различные исходные параметры.

По Ю. Одуму, моделирование обычно начинают с построения схемы или графической модели, часто представляющей собой блок-схему (рис. 16.4).

На рис. 16.4 буквами Р₁и Р₂обозначены два свойства, которые при взаимодействии (I) дают некое третье свойство Р₃(или влияют на него), когда система получает энергию от источника Е. Обозначены также пять направлений потоков вещества и энергии (F), из которыхF₁— вход, аF₆— выход для системы как целого. Отсюда, в работающей модели экологической ситуации имеется как минимум четыре ингредиента или компонента: 1) источник энергии или другая внешняя движущая сила. 2) свойства, которые системо-аналитики называют переменными состояний;3) направления потоков,связывающих свойства между собой и с действующими силами через потоки энергии и вещества; 4) взаимодействия или функции взаимодействийтам, где взаимодействуют между собой силы и свойства, изменяя, усиливая или контролируя перемещение веществ и энергии или создавая качественно новые (эмерджентные) свойства. Блок-схема на рис. 16.4 может служить моделью лугопастбищной экосистемы,в которой Р₁— зеленые растения, превращающие солнечную энергию Е в пищу. В этом случае Р₂обозначает растительноядное животное, поедающее растения, а Р₃— всеядное животное, которое может питаться как растительноядными, так и растениями. Взаимодействие может представлять несколько возможностей. Это может быть «случайный» переключатель, если наблюдения в реальном мире показали, что всеядное животное Р₃питается Р₁и Р₂без разбора в зависимости от их доступности. I может также иметь постоянное процентное значение при обнаружении, что рацион Р₂состоит, к примеру, на 80% из растительной и на 20% из животной пищи, независимо от того, каковы запасы Р, и Р₂х I может быть и «сезонным» переключателем в том случае, когда Р₃питается растениями в один сезон года и животными — в другой. Наконец, I может быть пороговым переключателем, если Р, сильно предпочитает животную пищу и переключается на растения только тогда, когда уровень Р₂падает ниже определенного порога.

В качестве научной основы природопользования используется модель геосистемы (географической системы). Эта модель применяется в природопользовании для прогнозирования, а также с целью управления природопользованием посредством воздействия на один компонент для получения положительного эффекта от другого.

Природная геосистема рассматривается обычно как сравнительно простая географическая модель, саморегулирующаяся система. Ее целостность поддерживается взаимосвязью природных компонентов. В более сложные модели в качестве нового элемента вводится человек (общество), рис. 16.5.

Человек способен не только приспосабливаться к природной геосистеме, но и ее преобразовывать. Использование таких моделей является типичным при изучении систем типа «человек — среда». Используя данные модели, можно проследить цепочку: воздействия на природный комплекс → изменение комплекса → последствия изменения природы для человеческой деятельности изменения деятельности → изменение ее воздействия на природу и т.д.

В природно-технических системах техника и природа представлены как элементы одной системы (рис. 16.5Б).

Подход, в котором природа и техника рассматриваются как элементы одной системы, несомненно, способен углубить представления о механизме взаимодействия, выявить последствия воздействия техники на природу. Здесь представление о геосистеме как системе самоуправляемой относительно быстро меняется на представление о ней как системе управляемой.

Геосистема, включающая в качестве своих элементов население и орган управления, который принимает и контролирует решения, называется интегральной (рис. 16.5В). Для рационального природопользования это очень важно, так как ставится задача выработки системы мер по сохранению целостности геосистемы.

Источник

27. Моделирование природных процессов. Моделирование системы рационального природопользования «окружающая среда- производство-потребитель»

Рассмотрим взаимодействие между ОС, промышленностью и потребителями. ОС является источником сырья, промышленность использует это сырье для производства потребительских товаров, готовая продукция поступает к потребителю. Рассмотрим схему взаимодействия промышленности и потребителя:

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА ↔ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ↔ ПОТРЕБЛЕНИЕ

Отходы (пром. Сектор) вторичное (потреб. Сектор)

Некоторые виды природных запасов потребители могут использовать непосредственно ( вода, воздух), но этот вид потребления в данном случае не учитывается. Табачные продукты производства поступают в ОС в виде отходов. Некоторые виды отходов о потребительских товаров используются промышленностью как вторичное сырье. Потребителями являются как отдельные покупатели , так и организации, местные администрации и Федеральное правительство в целом.

Чтобы составить уравнение материального баланса используем следующие переменные.

1. наименований единиц продукции типа к, производимой в единицу времени.
2. число наименований единиц продукции типа к, потребляемой в единицу времени.
3. материала i-го типа в Ос
4. масса материала i-го типа в промышленном секторе
5. масса материала i-го типа, в потребительском секторе.
6. i-го типа, потребляемая для производства 1-ой единицы продукции j-го типа
7. масса промышленных отходов i-го типа, образующихся в единицу времени из материала j-го типа.
8. масса поступающих от потребителя отходов i-го типа, образующихся в единицу времени из материала j-го типа.
9. масса материала i-го типа возвращаемая из цикла в единицу времени, приходящееся на единицу массы материала j-го типа

Уравнение материального баланса массы материала i-го типа , потребляемого из ОС будет иметь вид:

1 член правой части выражает массу сырья забираемого из ОС в единицу времени.

2 и 3 члены выражают соответственно массы отходов, поступающих в единицу времени от промышленного и потребительского секторов в ОС.

Уравнение материального баланса материала i-го типа в промышленном секторе будет таким:

1 член правой части выражает поступление в промышленный сектор в единицу времени массы сырье из ОС

2 и 3 члены уравнения выражают соответственно массу промышленных отходов от промышленного сектора и массу промышленной продукции, поступающей от потребителя в единицу времени.

4 член выражает массу вторичного сырья , поступающего в промышленный сектор от потребительского сектора за цикл в единицу времени.

Уравнение материального баланса материала i-го типа в потребительском секторе будет иметь вид:

1 член правой части выражает массу продукции, поступающей потребителям в единицу времени.

2 член –массу вторичного сырья, поступающего в промышленный сектор за цикл в единицу времени.

3 член-массу отходов, поступающих в ОС за единицу времени от потребительского сектора.

Если существует равновесное состояние , т.е не происходят изменения массы материалов каждого из секторов то ур-я 1,2 можно записать в следующем виде:

Уравнение получаемое из ур-я 3 не является независимым поскольку оно может быть получено путем вычитания ур-я 4 из ур-я 5.

Согласно ур-ю 4 в равновесном состоянии суммарная масса отходов в единицу времени равна массе сырья, которая берется из ОС в единицу времени.

Приведенные уравнения можно использовать для нахождения различных вариантов уменьшения массы используемого сырья и след-но снижения массы образующихся отходов.

Так например , можно во-первых изменить потребление а т.е производство зависит от потребления, т.е переменная также будет изменяться.

2)Улучшить техническое оснащение и процесс изготовления продукции, т. о, чтобы это привело к сокращению массы, отходов, т.е уменьшению коэф-тов и

3)Повысить часть возвращаемой в производство массы вторичных материалов за цикл т.е увеличить коэф-т

4) улучшить техническое оснащение и технологический процесс , ччто позволит уменьшить массу материалов необходимых для обеспечения всех потребностей т.е обеспечить коэф-т

Источник