Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Моделирование и прогнозирование состояния окружающей природной среды. Учебное пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Донбасская национальная академия строительства и архитектуры
О. Н. Калинихин, Ю. Н. Ганнова, Е. В. Кочина
МОДЕЛИРОВАНИЕ
И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ
ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Учебное пособие для СПО
Профобразование
Саратов
2022
УДК 502.3
ББК 20.18
К23
Рецензенты:
Сердюк А. И. — д-р хим. наук, проф.
(Донбасская национальная академия строительства и архитектуры);
Павлыш В. Н. — д-р техн. наук, проф.
(Донецкий национальный технический университет);
Остапко В. М. — д-р биол. наук, проф.
(Донецкий ботанический сад)
Калинихин, Олег Николаевич.
К23 Моделирование и прогнозирование состояния окружающей природной среды :
учебное пособие для СПО / О. Н. Калинихин, Ю. Н. Ганнова, Е. В. Кочина ; Донбасская
национальная академия строительства и архитектуры. — Саратов : Профобразование,
2022. — 149 с. — (Среднее профессиональное образование). — Текст : электронный.
ISBN 978-5-4488-1463-1
В учебном пособии рассмотрены основные понятия, использующиеся в современной практике моделирования и прогнозирования экосистем; изложены основные принципы, использующиеся при построении математических моделей поведения экосистем.
Даны примеры подходов при построении и расчетах прогностических моделей. В конце
каждой главы приведены вопросы для самопроверки и контроля усвоения знаний.
Учебное пособие может быть использовано при изучении дисциплин «Природо-
пользование и охрана окружающей среды», «Мониторинг загрязнения окружающей
природной среды» по специальности среднего профессионального образования
20.02.01 «Рациональное использование природохозяйственных комплексов».
Учебное электронное издание
ISBN 978-5-4488-1463-1 © Калинихин О. Н., Ганнова Ю. Н.,
Кочина Е. В., 2017
© Донбасская национальная академия
строительства и архитектуры, 2017
© Оформление. ООО «Профобразование», 2022
СОДЕРЖАНИЕ 3
Стр.
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….
5
Базовые понятия моделирования экосистем …………………..
6
воздействий на окружающую среду………………………………
6
7
9
12
16
17
Методы прогнозирования воздействия на окружающую
среду……………………………………………………………………
20
20
22
24
27
28
29
32
39
40
Моделирование динамики биотических сообществ……………
44
45
49
поправкой………………………………………………………………
51
53
54
С о д е р ж а н и е
1.
1.1. Сфера моделирования и прогнозирования
1.2. Понятие модели………………………………………………….
1.3. Классификация моделей и способов моделирования…….
1.4. Принципы моделирования экологических систем…………
1.5. Понятие модельного эксперимента……………………………
1.6. Приемы физического моделирования экосистем………….
2.
2.1. Картографические методы…………………………………….
2.2. Методы контрольных списков…………………………………
2.3. Матричные методы……………………………………………….
2.4. Сетевые методы………………………………………………….
2.5. Статистические методы………………………………………….
2.6. Адаптивные методы……………………………………………..
2.7. Имитационно-оптимизационные методы…………………….
2.8. Методы, использующие концепцию базы знаний………….
2.9. Логико-информационные методы…………………………….
3.
3.1. Модель динамики популяций…………………………………..
3.2. Модель «Хищник - жертва»…………………………………….
3.3. Модель «Хищник - жертва» с логистической
3.4. Модель Холлинга - Тэннера «Конкурирующие виды»…….
3.5. Простейшая модель эпидемии………………………………..
3
4 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
Моделирование процессов загрязнения атмосферы………….
60
61
66
загрязняющих веществ в приземном атмосферном воздухе…
68
74
76
77
78
Моделирование состояний водных объектов…………………..
84
воды РК-БПК…………………………………………………………..
88
94
Теоретико-игровые модели в задачах охраны окружающей
среды……………………………………………………………………
98
99
окружающей среды…………………………………………………..
103
108
Моделирование экосистем на основе теории графов……….
113
114
121
123
126
133
Модели глобального развития человечества и природы……..
139
140
142
144
145
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………
148
4.
4.1. Явление переноса и диффузии примеси в атмосфере……
4.2. Простейшие одномерные диффузионные уравнения……..
4.3. Статистические методики расчёта рассеяния
4.4. Методика института экспериментальной метеорологии….
4.5. Модель Холланда……………………………………………….
4.6. Методика международного агентства по атомной энергии…
4.7. Методика ОНД-86…………………………………………………
5.
5.1. Обобщенная модель формирования качества
5.2. Имитационная модель озерной экосистемы………………..
6.
6.1. Игры с нулевой суммой…………………………………………
6.2. Бескоалиционные игровые модели в задачах охраны
6.3. Игровая модель с использованием целевой функции…..
7.
7.1. Основные понятия теории графов……………………………
7.2. Системное поведение и «мания» - структуры……………….
7.3. Причинные связи и кольца обратных связей……………….
7.4. Основные адаптивные кольца…………………………………
7.5. Анализ устойчивости экосистем………………………………
8.
8.1. Модели Форестера - Медоуза…………………………………
8.2. Модель Месаровича - Пестеля………………………………..
8.3. Модель Кана - Судзуки………………………………………….
8.4. Модель Леонтьева……………………………………………….
4
ВВЕДЕНИЕ 5
ВВЕДЕНИЕ
В современной науке математическое моделирование играет
особую роль. Математические модели – это язык, на котором
формулируются наши представления о явлениях в живой и неживой
природы. Особенно необходимыми и плодотворными оказались
возможности математической науки в изучении и моделировании живых
систем, в экологии, где системы по своей природе являются открытыми
для потоков вещества и энергии и, в принципе, далеки от
термодинамического равновесия.
Необходимость решения экологических проблем требует от
специалистов разработки специальных методов построения и
исследования математических моделей экологических процессов.
Сложность строения и функционирования экосистем, делают их одним
из чрезвычайно трудных для изучения объектов и требуют объединения
методов: физических, химических, геолого-географических и
биологических наук [1].
Цель настоящего пособия, формирование базовых представлений у
учащихся относительно основных понятий, терминологии, определении
и методологии, используемой в теории и практике математического
моделирования параметров и состояния объектов окружающей среды.
Прежде всего пособие адресовано будущим специалистам в
природоохранной сфере. Кроме того, пособие может быть использовано
при обработке и анализе информации применительно к
природоохранным аспектам своей профессиональной деятельности,
представителями смежных специальностей.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
5
6 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
1 . БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ
Все живые системы являются далекими от термодинамического
равновесия, открытыми для потоков вещества и энергии системами,
имеют сложную неоднородную структуру и иерархическую систему
регуляции процессов как внутренней, так и при изменении условий
внешней среды. Поэтому математическая формализация представлений
о процессах в живых системах представляет значительные трудности. В
отличие от физики, для которой математика – естественный язык, в
связи с индивидуальностью биологических явлений говорят именно о
математических моделях в экологии. Слово модель здесь подчеркивает
то обстоятельство, что речь идет об абстракции, идеализации,
математическом описании скорее не самой живой системы, а некоторых
качественных и количественных характеристик, протекающих в ней
процессов.
1.1. Сфера моделирования и прогнозирования воздействий на
окружающую среду
В сферу моделирования и прогнозирования воздействия на
окружающую среду (ОС) входят следующие компоненты природной
среды:
− воздух;
− вода;
− земельные ресурсы;
− биота – флора, фауна и среда их обитания.
Прогнозируется возможное ухудшение их качества и последствия
для человека и экономики в результате этого предполагаемого
ухудшения. При этом предсказание воздействия и отклика на него
систем, подвергшихся воздействию, основано на предположении, что
будущее поведение системы будет подобно в главных аспектах ее
прошлому поведению.
Однако в сложных взаимодействующих системах ОС это
предположение далеко не всегда выполняется, и решения принимаются
в условиях неопределенности. Поэтому на практике часто не
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
6
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ 7
ограничиваются каким-либо одним методом или моделью, а
сбалансировано используют их комбинации. При этом учитывается
мнение общественности для принятия наиболее приемлемого решения.
Любые влияния на биофизическое и социально-экономическое
окружение, которые непосредственно возникают от хозяйственной
деятельности человека, рассматриваю как первичные воздействия
(воздействия первого рода). Вторичные воздействия (воздействия
более высокого порядка) – это более отдаленные влияния на
окружающую среду, которые являются следствием воздействия
деятельности человека, хотя непосредственно этим воздействием не
инициируются [1].
В процессе моделирования и последующего прогнозирования
воздействий решают следующие четыре задачи:
− выполняют идентификацию воздействия;
− проводят модельные расчеты;
− интерпретируют результаты расчетов и получают количественную
оценку воздействия;
− доводят информацию о воздействии до лиц, принимающих
решения (лпр).
1.2. Понятие модели
Приведем несколько примеров поясняющих, что такое модель, а
далее дадим обобщающее определение.
Пример 1. Архитектор готовится построить здание невиданного до
сих пор типа. Но прежде, чем воздвигнуть его, он сооружает это здание
из кубиков на столе (или с помощью компьютерных программ), чтобы
посмотреть, как оно будет выглядеть.
Пример 2. Моделью является и плакат, на котором стрелками
изображены направления движения крови, показывающий как
функционирует система кровообращения.
Пример 3. Перед тем как запустить в производство новый самолет,
его помещают в аэродинамическую трубу и, с помощью
соответствующих датчиков, определяют величины напряжений,
возникающие в различных частях конструкции.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
7
8 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
Пример 4. Моделью является и весящая на стене картина,
изображающая бушующее море.
Как видим, во всех примерах имеет место сопоставление
некоторого объекта с другим, его заменяющим.
В примере 1: реальное здание – здание из кубиков;
В примере 2: система кровообращения – схема на плакате;
В примере 3: серийный самолет – единичный самолет в трубе;
В примере 4: бушующее море – картина его изображающая.
Во всех случаях предполагается, что какое-то свойство сохраняется
при переходе от исходного к заменяющему его объекту.
В примере 1: хоть здание из кубиков и много меньше настоящего, но
оно позволяет судить о его геометрии и внешнем виде.
В примере 2: хоть плакат и не имеет ничего общего с тканями и
органами живого организма, но он позволяет судить о направлениях
движения крови, т.е. о том, откуда и куда течет кровь.
В примере 3: хоть самолет в аэродинамической трубе никуда не
летит, но напряжения, возникающие в его корпусе, соответствуют
условиям полета.
В примере 4: хоть картина и море с физической точки зрения не
имеют, казалось бы, ничего общего, но эмоции они могут вызвать
сходные.
Приведённые примеры позволяют сформулировать следующее
определение модели.
Модель – это такой материальный или мысленно
представляемый объект, который в процессе познания замещает
объект-оригинал, сохраняя некоторые важные его черты.
Модель, как правило, доступнее для исследования, нежели
реальный объект. Более того, некоторые объекты не могут быть изучены
непосредственно, например: недопустимы эксперименты с экономикой
страны в познавательных целях или с планетами Солнечной системы.
Таким образом, модели необходимы для того, чтобы:
− понять, как устроен конкретный объект, т.е. какова его структура,
основные физические, химические, динамические, биологические
свойства, а также законы развития и взаимодействия с окружающим
миром;
8
БАЗОВЫЕ ПОНЯТИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМ 9
− научиться управлять объектом (или процессом) и определять
наилучшие способы управления при заданных целях и критериях;
− прогнозировать прямые и косвенные последствия при заданных
способах и формах воздействия на объект.
Хорошо построенная модель, как правило, обладает характерным
свойством: ее изучение дает некоторые новые знания об объектеоригинале и это играет притягательную роль для лиц, занимающихся
построением и изучением моделей.
Процесс построения моделей называется моделированием.
1.3. Классификация моделей и способов моделирования
Рассмотрим типы моделей, применяющихся в различных методиках
оценки воздействия на ОС и в научных исследованиях. За основу
классификации моделей принято брать способ воспроизведения
оригинала в модели [2].
По способу моделирования выделяют две большие группы
моделей:
− материальные (предметные);
− идеальные (мысленные).
К материальным относятся такие модели, которые воспроизводят
основные геометрические, динамические и функциональные
характеристики изучаемого объекта. По типу сходства с оригиналом в
группе материальных моделей выделяют три основных класса:
Первый класс включает модели геометрически (пространственно)
подобные оригиналу. Примерами этих моделей являются всевозможные
макеты и муляжи, такие как глобусы, модели молекул, кристаллов,
широко используемые в биологии чучела, высушенные насекомые,
окрашенные препараты срезов тканей, зафиксированные препараты
микроорганизмов, т.е. модели, приготовленные «из самого объектаоригинала», за счет, устранения некоторых кажущихся
несущественными в данной связи его свойств.
Второй класс состоит из моделей, имитирующих динамические
свойства оригинала – физически подобных моделей. Это достигается за
счет использования в качестве модели предмета одинаковой с объектом
моделирования физической природы. Примерами такого моделирования
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
9
10 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ
могут служить частые в экологии случаи применения популяций
лабораторных животных, служащих моделями естественных популяций
(дрозофилы в генетике, дафнии в водной токсикологии), лабораторные
экосистемы в виде лотков с водой, моделирующих реки и водоемы, а
также озер – в качестве моделей морей и океана.
В третий класс входят модели, сохраняющие с реальным объектом
лишь отношения аналогии в наблюдаемых процессах и явлениях, т.е. в
основе функционирования, как объекта исследования, так и модели
лежат одни и те же математические закономерности. Эти модели
называют математически подобными (аналоговыми). Аналоговая
модель строится в виде характеристик иной, чем у моделируемого
объекта, физической природы. Обязательно лишь, чтобы известные
стороны модели описывались той же математической формулой, что и
моделируемые свойства объекта.
Пример аналогового моделирования – изучение механических
колебаний с помощью электрической схемы, описываемой теми же
дифференциальными уравнениями.
Аналоговые модели тесно связаны с группой идеальных моделей.
Для понимания отличия последних моделей от других ознакомимся с
группой идеальных, или мысленных моделей. Достаточно учесть то, что
для построения материальной модели необходимо, в первую очередь,
мысленно представить ее себе, т.е. создать идеальную модель.
Идеальные модели могут существовать не только в голове
исследователя, но и быть запечатленными на бумаге в виде словесного,
графического, математического или другого знакового описания.
Существенной их чертой является то, что все преобразования в них, все
переходы в другое состояние осуществляются мысленно, т.е. в сознании
человека, который опирается при этом на определенную семантику и
пользуется логическими, математическими, физическими и другими
специфическими правилами, и законами. Понятно, что уравнение,
записанное на бумаге, не будет моделью динамики численности
популяции само по себе, в руках неграмотного или просто незнакомого с
данными обозначениями человека.
По способу построения идеальных моделей, среди них выделяют
три класса.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––--------–-––––––––––––––––––––––––––-–––––––––––––--------––––
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]