1.3.2. Системний підхід

Хаос і стохастичність явищ природи поєднуються з проявами упорядкованості, закономірності. Але цей порядок, внутрішній взаємо-зв’язок часто досить важко виявити. Особливо це стосується складних, ієрархічно побудованих об’єктів. Водні об’єкти також можна розглядати як складні системи. Тому тут застосовують системний підхід. Під системою розуміють — впорядковану множину взаємопов’язаних елементів, яка володіє структурою та організацією. Системний об’єкт це завжди щось більше ніж проста сума елементів (впорядкованість, системні зв’язки, нова якість). Тому системний підхід це в першу чергу синтез, метод об’єднання частин, виявлення законів об’єднання і виникнення цілісності, нової якості, закону вищого рівня.

Складними гідрологічними об’єктами можна вважати: річкову систему та її басейн, гирлову область річки (наприклад дельту), русло з заплавою, меліоративну систему, водногосподарську систему, водойму з оточуючим середовищем, болото, циркуляційну систему рухів в океані, крупний льодовик, або їх сукупність, колообіг води і багато інших. Особливе місце займають водні екосистеми та системи використання водних об’єктів (водних ресурсів).

Системність, упорядкованість, організованість пов’язані з поняттям оптимальності. Оптимізація антропогенного впливу на гідросистеми — важлива частина сучасних гідрологічних досліджень.

1.3.3. Експеримент та моделювання

Слово експеримент походить від латинського experimentum — спроба, дослід (досвід). У науковій мові та дослідницькій роботі цей термін використовують у загальному значенні. Він може відповідати досліду, цілеспрямованому спостереженню, відтворенню досліджуваного об’єкту, організації особливих умов його існування, перевірці прогнозу (передбачення). В це поняття вкладають як наукову поставку дослідів, так і спостереження об’єкту в точно визначених умовах, що дозволяє слідкувати за ходом явищ і відтворювати їх кожен раз при повторенні умов. Таким чином змістом експерименту є діяльність, направлена на створення (фіксацію) умов виникнення певного явища при найменшому ускладнюючому впливі інших. Основною його метою є виявлення властивостей досліджуваних об’єктів та перевірка гіпотез. Різноманітність видів експериментів досить велика.

В гідрології найбільше використовують лабораторний, польовий експеримент, а також комплексні експериментальні спостереження (пасивний експеримент). Лабораторний — проводиться в лабораторних умовах із застосуванням типових приладів, спеціальних моделюючих установок, стендів, спеціального обладнання і т.д. Тут найбільш часто вивчають не самий об’єкт, а його зразок. Його позитивними рисами є можливість необхідної кількості повторень, можливості поступово змінювати характеристики та фактори, оптимальні витрати часу та засобів. Але він не завжди достатньо відповідає реальному об’єкту.

Польовий (натурний) експерименти — проводять на спеціально виділених і обладнаних ділянках. Якщо ж мова іде про гідротехнічні, або водногосподарські системи то говорять також про серію натурних випробовувань. Цей вид експерименту потребує детальної підготовки та планування, підбору методів дослідження. Його прикладами можуть бути стокові та випаровуючі площадки, штучне дощування, зміни характеру діяльної поверхні та інші.

Експериментальні спостереження це спеціально організовані уніфіковані спостереження, що охоплюють об’єкти значних розмірів. Цей вид експерименту використовується, наприклад, в океанології (часто спільно з метеорологією). Вивчити основні закономірності розвитку і властивості досліджуваних крупних процесів іншими методами дуже важко, або неможливо. Це можуть бути процеси взаємодії океану та атмосфери, системи течії та вихорів в океані, поля океанологічних характеристик та інше.

Крім експерименту в гідрології широко застосовують метод моделювання. Його можна визначити як метод практичного, або теоретичного непрямого оперування об’єктом, тобто відтворення характеристик основного об’єкту на іншому, подібному (спеціально створеному) об’єкті. При цьому важливою є та допомога, яку надає моделювання для вивчення складних явищ та процесів. Закони природи можуть бути подібними при розгляді різнорідних явищ та процесів, або однорідних, але спрощених та інших за часово-просторовим масштабом. Тому найважливішим інструментом і принципом моделювання є теорія подібності. Фактично вона має глибоке пізнавальне (гносеологічне) значення, оскільки прямо сприяє виявленню найбільш загальних закономірностей розвитку явищ та процесів. Крім того, модель може давати нову інформацію про об’єкти. Теорії також є своєрідними моделями і відомо, що вдала теорія може передбачити нові явища та процеси, які ще не були виявлені і досліджені. В гідрології розповсюдження фізичне, математичне, аналогове та інші види моделювання. Фізичне моделювання передбачає створення копії реальної фізичної системи в іншому (як — правило зменшеному) масштабі. Необхідно, щоб модель мала такі параметри, при яких критерії подібності виявляються однакови ми для неї і для оригіналу. Яскравим прикладом є гідравлічні моделі, які створюють у багатьох лабораторіях світу.

Сучасні математичні моделі пов’язані з використанням електронної обчислювальної техніки. Процес математичного моделювання можна поділити на чотири етапи. На першому формулюються основні закони за якими розвивається об’єкт. На другому здійснюється дослідження математичних задач, що виникають при створенні моделі. На третьому відбувається співставлення результатів розрахунків з даними спостережень (дійсністю). На четвертому етапі модель модернізують, удосконалюють. Моделі поступово накопичуються, взаємодіють, розвиваються, що створює особливу систему знань про реальний світ. В гідрології використовують математичне моделювання у дослідженнях термодинаміки водних об’єктів, процесів формування стоку води та наносів, розвитку льодовиків, процесів формування якості вод, розвитку русел річок, переробки берегів водойм і багатьох інших. Математичне моделювання і перевірка його результатів потребують достатньої і якісної інформації.

Аналогове моделювання застосовують якщо явища у двох співставлених системах мають різну природу, але основні процеси в них описуються однаковими системами диференціальних рівнянь. Застосування прямих моделей-аналогів обмежено. Їх можна заміняти структурними (поелементними) моделями. Прикладом аналогового моделювання у гідрології може служити метод ЕГДА (електрогідродинамічної аналогії). Це метод електричного моделювання поля швидкостей при фільтрації підземних вод у товщі грунтів та порід. Він також використовується для моделювання хвиль попусків води через гідровузли, хвиль паводків та інших явищ.