Моделирование водных экосистем. Комплексный подход в. В. Меншуткин, О. Н. Воробьева, Т. И. Казанцева, В. Ф. Левченко Введение

Вид материала

Подобный материал:

1 2 3 4

5. На пути к созданию информационной системы принятия решений и управлению природной средой региона

В течение нескольких лет нами проводились исследования, направленные на решение проблемы качества воды в Санкт-Петербурге. Работа, выполняемая коллективом авторов (не только нашей организации), специалистов в различных областях науки и техники, представляет собой пример комплексного подхода к проблеме управления качеством воды в городе Санкт-Петербурге. Конечная цель этой работы - создание компьютерной программы, предназначенной для оценки создавшейся ситуации и выбора мер по устранению и предупреждению возможных опасных для населения и живой природы загрязнений водного бассейна. Первая версия такой программы - мы ее называем макетом - уже создана.

В приведенных выше разделах мы более подробно описали те части этой системы, которыми непосредственно занимались в рамках данных исследований. Конечно, сжатые сроки и ограниченные ресурсы заставили всемерно, где это только было возможно, упростить поставленную задачу. Однако коллектив исполнителей, не единожды сталкиваясь с непониманием организаций, ответственных за экологическое состояние региона, не считал возможным поступиться в самом главном - в комплексности проблемы.

Многие части компьютерной системы описывают реальные процессы пока фрагментарно (технология сточных вод, гидродинамика Ладоги и Невской губы, структура и динамика водных экологических систем), но это вовсе не означает, что исполнители при наличии достаточного количества времени и материальных ресурсов не способны создать более подробные и близкие к действительности частные модели общей системы принятия оптимальных решений. По многим разделам проблемы (например, гидродинамика Ладоги и Невской губы и некоторые другие) такие программные продукты уже существуют, в других случаях пришлось использовать экспериментальный материал в виде таблиц и баз данных. Цель всей работы вовсе не в том, чтобы продемонстрировать достижения вычислительных методов прикладной математики и информатики, а в том, чтобы убедить руководство города Санкт-Петербурга, непосредственно ответственное за состояние водной среды города и здоровье его населения, в реальности и практической разрешимости проблемы управления качеством воды в городе и прилегающих акваториях.

Как уже говорилось, результатом коллективного труда специалистов ряда научных организаций города (немного подробнее об этом сказано ниже) явилось создание макета информационной системы, включающей в себя гидрологические, гидрохимические, гидробиологические, экономические, медицинские и правовые аспекты управления качеством воды в городе Санкт-Петербурге. Основной смысл проделанной работы заключается в том, что от общих рассуждений о том, что загрязнять водоемы не следует, и многочисленных частных сообщений о деградации природы под воздействием человека (по этому поводу нет недостатка ни в научных трудах, ни в публицистических выступлениях) сделан переход к работающей системе, с помощью которой можно объективно отслеживать последствия тех или иных конкретных решений природоохранительных органов.

Иными словами, от эмоциональных оценок и констатаций свершившихся фактов сделан шаг к количественному, беспристрастному научному прогнозу. Показана реальная возможность создания информационно-экспертной системы для управления качеством воды в акваториях Санкт-Петербургского региона.

Конечно, это только первый шаг на пути к созданию реальной системы контроля и управления природной средой такого большого региона, как Санкт-Петербургский. В дальнейшем место примитивных боксовых моделей Невской губы и Ладожского озера должны занять более точные и современные, достаточно надежные и апробированные на практике трехмерные гидродинамические модели, некоторые из которых уже созданы научными коллективами под руководством к.ф-м.н, И.А.Неелова (ЛИАН), д.ф-м.н. Л.А. Руховца (Мат.экон. ин-т РАН), к.г.н. О.А.Савчука (ЛОГОИН). Банки данных по гидробиологии и гидрохимии, а также банки данных по сбрасывающим сточные воды предприятиям, содержащие сведения о применяемых на них технологиях производства, созданы в НИЦЭБ РАН (к.т.н. О.Н.Макаров и к.г.н. Л.Ю.Преображенский). Глубокие теоретические исследования в области биологии, доведенные до компьютерной модели акватории Санкт-Петербурга, провел Зоологический ин-т РАН (чл.-корр. А.Ф.Алимов и д.б.н. А.А.Умнов). Очень весом и реалистичен опыт санитарно-гигиенических исследований (проф. д.м.н. Ю.А.Мусейчук). Большой опыт системных исследований в конкретной области управления качеством воды в акваториях Санкт-Петербурга накопил коллектив Петербургского технического университета (к.т.н. М.М.Степанов). Можно было бы продолжить это перечисление, но уже сказанного достаточно для того, чтобы показать, что в Санкт-Петербурге сложился коллектив ученых и специалистов разных специальностей, способный решить проблему создания информационно-экспертной системы управления качеством воды акватории Санкт-Петербурга. Особо следует подчеркнуть, что это именно коллектив, а не отдельные специалисты, и этот коллектив уже имеет опыт совместной работы под руководством Санкт-Петербургского Научного центра РАН. Для продолжения и развития работы нужна только соответствующая поддержка.

В своем развитии данная коллективная работа имела и имеет два аспекта - “вглубь” и “вширь”. Начнем с первого. Конечно, вместо восьми достаточно условных источников загрязнения, представленных в рассматриваемом макете, в дальнейшем появятся 30-50 вполне конкретных объектов с известными технологиями производства и системами очистки. Подготовительные исследования для этого уже проделаны Ленкомэкологией и НИЦЭБ. Соответственно будут уточнены процессы мониторинга, контроля и правового механизма воздействия на организации и предприятия, сбрасывающие воду в акватории и потребляющие ее. Необходимо будет также дополнить модель имитацией реального прохождения юридической процедуры судебного и внесудебного решения спорных вопросов водопользования.

Река Нева с ее протоками и каналами в черте Санкт-Петербурга представляет собой прекрасный объект для имитационного моделирования, равно как и достаточно сложная и далекая от оптимальности система канализации и водоснабжения города. О развитии гидрологических и гидробиологических подмоделей общей системы уже говорилось выше - тут прогресс вполне реален и хорошо подготовлен уже проведенными исследованиями.

Следует также вспомнить и о рыбохозяйственной стороне дела, которая пока не нашла отражения в предлагаемой системе, но несомненно того заслуживает. Ведь благополучие ихтиофауны - не только один из критериев хорошего качества воды, но и вполне весомый (хотя и не первостепенный) экономический фактор, влияющий на жизнь региона.

Перейдем теперь ко второму аспекту развития данной работы - вширь. Конечно, водная среда хотя и очень важна для Санкт-Петербурга, но далеко не исчерпывает понятие природной (или окружающей) среды большего города. Очень важное значение имеет воздушная среда, и без включения ее в экспертно-информационную систему анализ, например медико-санитарной статистики становится затруднителен.

Взаимосвязанность водной и воздушных сред города очевидна. Объем научных разработок в области моделирования переноса загрязняющих примесей, выбрасываемых в атмосферу достаточно велик, и хотя для условий Санкт-Петербурга они пока имеют разобщенный и локальный характер, но все же они вполне поддаются сведению в единую систему в достаточно короткие сроки.

Помимо водной и воздушной среды достаточно важен и третий природный компонент среды большего города - почва и почвенные воды. Здесь также накоплен большой фактический материал, но конкретный прогноз процессов накопления и перемещения загрязнений еще требует большой работы.

Наконец, окружающая среда Санкт-Петербурга теснейшим образом связана с жизнью самого города, с развитием жилищного, индустриального (особенно портового) и транспортного строительства, с демографическими процессами, динамикой транспортных потоков, организацией туризма, охраной исторических памятников и многими другими процессами и явлениями.

Не последнюю роль в состоянии окружающей среды города играет и социальная психология его населения. Все эти аспекты также в дальнейшем можно будет включить в информационную систему.

Заключение

Показана реальная возможность создания комплексной модели экологической системы Невской губы и Восточной части Финского залива, охватывающей все или почти все аспекты, относящиеся к проблеме качества воды в данном водоеме. Вместе с тем, исследование созданной модели выявило ее наиболее уязвимые места. Главным образом это относится к формулированию критерия качества среды и, в частности, воды. Принятие решения об опасности ситуации в первую очередь зависит от надежности этого последнего критерия и уж во вторую от точности наших представлений о схеме течений, распространении примесей, деструкции органики и развитии фитопланктона. Для успешной работы системы необходимо создание механизма для выработки критерия качества воды в конкретных условиях. Наиболее подходящей формой такого механизма следует считать экспертную систему, а не модель, для создания которой еще недостаточно знаний о механизме действия тех или иных загрязняющих примесей на организм человека и население города в целом.

Проделанная работа позволила сравнить, хотя и не в самом общем виде, а на конкретном примере, последствия, вызванные снижением качества мониторинга и снижением качества моделирования. Выяснилось, что снижение качества моделирования ведет к большему разбросу оценок и их смещенности. Конечно, это не означает, что мониторингом можно пренебрегать (его роль показана достаточно отчетливо), но разрушает представление о том, что только один разветвленный и мощный мониторинг способен решить задачу прогноза и оценки качества воды. Выявлена необходимость гармонического сочетания исследований в области изменения рельефа дна, гидродинамики, гидрохимии и гидробиологии для создания работоспособной системы.

Приоритетное развитие какой-либо области исследований в ущерб другим недопустимо, ибо в принятии решения могут участвовать все компоненты системы с более или менее сходной значимостью. Однако особо следует отметить важность процесса седиментации (вернее, обмена на границе вода - дно) для рассматриваемой системы. По чувствительности конечного результата параметры обмена вода - дно идут сразу за критериями качества воды и оценке рельефа дна. Проблема взаимоотношения динамики экологической системы, находящейся под сильным антропогенным воздействием, и средств ее наблюдения, изучения и управления ею достойна более фундаментального изучения и не только на примере экосистемы Невской губы.
Приведенные материалы подтверждают мнение о необходимости продолжения работ по созданию единой экспертной информационной системы, включающей в себя не только сведения о состоянии и динамике среды и источниках ее загрязнения, но и весь комплекс экономических, социальных, технических (в частности, архитектурных и градостроительных), культурных и других процессов, определяющих развитие такого сложнейшего образования как Санкт-Петербург.

Конечно, создание подобной системы потребует больших интеллектуальных и материальных усилий, но без такой работы никакой план социально-экономического развития города и региона не может быть признан реалистичным, особенно, если разрабатываются различные, альтернативные варианты развития. Такая работа вполне соответствует научному потенциалу Санкт-Петербурга и должна способствовать налаживанию и укреплению междисциплинарных связей, которые всегда способствовали научному прогрессу. Однако главная цель предлагаемых разработок состоит в том, чтобы обеспечить руководство города и городского хозяйства реальным и научно обоснованным инструментом для выработки и апробирования вариантов управленческих и правовых решений, направленных на улучшение природной среды Санкт-Петербурга, улучшение условий жизни его населения, развитие и процветание нашего города.

Литература

Саркисян А.С. Численный анализ и прогноз морских течений. Л. Гидрометеоиздат, 1977, 182с.
Вольцингер И.Е., Пясковский Р.В. Основные океанологические задачи теории мелкой воды. Л. Гидрометеоиздат, 1968, 299с.
Филатов Н.Н.. Динамика озер. Л. Гидрометеоиздат, 1983, 166с.
Исследование водной системы Ладожское озеро - река Нева - Невская губа и восточная часть Финского залива. Результаты исследований 1981-1982 гг. / Под ред. И.А.Шаломанова и Л.Ю.Преображенского. Тр. ГГИ. вып. 321, Л. Гидрометеоиздат, 1988, 135с.
Астраханцев Г.П., Егорова Н.Б., Руховец Л.А. Моделирование течений и термического режима Ладожского озера. Ин-т озероведения АН СССР. Л., 1988, 44с.
Великанов М.А. Русловой процесс (основы теории). Гос.изд. ф.-м. лит. М., 1958, 396с.
Харбух Дж., Бонем-Картер Г. Моделирование на ЭВМ в геологии. Мир. М., 1974, 320с.
Меншуткин В.В. Имитационное моделирование водных экологических систем. Наука. СПб., 1993, 158с.
Йоргсен С.Э. Управление озерными системами. Агропромиздат. М., 1985, 160с.
Математические модели в экологии. Библеографический указатель отечественных работ / Под ред. А.Д.Базыкина. ВИНИТИ. М., 1981, 224 с.
Riley G.A., Stommel H., Bumpus D.F. Quantitative ecology of plankton of the Western North Atlantic // Bull. Bindham Oceanorgr. Collection, 1948, v.11, N3, pp. 1-74. .
Ляпунов А.А. Об изучении балансовых соотношений в биогеоценозе (попытка математического анализа) // Журн. общ. биолог., 1968, т.296, вып.6, с. 25-32.
Vinogradov V.E., Menshutkin V.V., Shushkina E.A. On Mathematical Simulation of a Pelagic Ecosystem // Marine Biology, 1972, vol. 16, pp. 261-268.
Баранов Ф.И. К вопросу о биологических основаниях рыбного хозяйства // Изв. Отдела рыбоводства и научно-промысл. исслед., Петроград, 1918, т.1, вып.1, с.1-48.
Beverton R.G., Holt S.G. Dynamics of exploited fish population // Fish. Invest. ser. II. London, 1957, p.362.
Ricker W.E. Stock and recruitment // Journ. Fish. Res. Board Canada, 1954, vol.11, No 5, pp. 67-92.
Bierman V.J., Dolan D.M. Modelling of phytoplankton - nutrient dynamics in Saginaw Bay, Lake Huron // Journ. Great Lakes Res., 1982, No 7(4), pp. 409-439.
Verhagen J.H.G., Peeters J.C.H., Peelen R. A plankton production model applied to the Brielse meer // IAHR Congress pap., San Paulo, 1975, pp.1-12.
Klomp R., van Pagee J.A. A model approach to the problem of water quality of the river Rhine // Delft Hydr. Lab. publ., 1981, vol. 256, pp. 1-20.
Kamp-Nielsen L. Modelling the recovery of hypereutrophic lake Glums (Danmark) // Hydrobiological Bull., 2D (1/2), 1986, pp. 245-255.
Voinov A.A., Tonkin A.P. Qualitative model of eutrophication in macrophite lakes // Ecological Modelling, 1987, vol. 35, pp. 211-226.
Auer M.T., Canale R.P. Mathematical modelling of primary production in Green Bay (Lake Michigan, USA) // Hydrobiological Bull., 1986, vol. 20 (1/2), pp. 195-210.
Brouwer F.M., Hafkamp W.A., Nijkamp P. Achievements in modelling environmental and resourse issues in the secondary sector // The Science of Total Environment, 1986, vol. 55, pp. 287-307.
Jorgensen S.E., Kamp-Nielsen L., Jorgensen L.A. Examination of the generality of eutrophication models // Ecological Modelling, 1986, vol. 32, pp. 251-266.
Imboden D.M., Schwarzenbach R.P. Spatial and temporal distribution of chemical substances in lakes: modelling concepts. // Chemical process in lakes / Ed. W. Stum. NY. 1985.
Teruggi S., Vendegne V. Ecological models as support systems to desisons in lake managment planning // The Science of the Total Environment, 1986, vol. 55, pp. 261-272.
Gentil S. Predictive or explanatory models for aguatic ecosystems // Wat. Sci. Tech., 1984, vol.16, pp.571-587.
Premazzi G., Rossi G. Phosphorus cycle in a eutrophic subalpine lake // Final Report. ECSS. Brussels, 1984, p.54.
Mukai T., Tokomoto K., Shibata T., Abe H. Simulaton study of eutrophication in Hiroshima Bay // Wat. Res., 1985, vol.19, pp. 511-525.
Kettunen J. Model for a eutrophic finnish lake - a case study // Aqua Fennica, 1981, vol. 11, pp. 49-54.
Varis D. Water quality model for lake Kuortaneenjarvi, a polyhumic Finnish lake // Aqua Fennica, 1984, vol. 14, pp.179-187.
French R.H. Lake modelling: state of art // Crit. Rev. Environ. Contr., 1984, vol. 13, No 4, pp.311-357.
Меншуткин В.В., Воробьева О.Н. Модель экологической системы Ладожского озера // Современное состояние экосистемы Ладожского озера. Л. Наука, 1987, с. 187-204.
Леонов А.И., Осташенко М.М., Лаптева Е.И. Математическое моделирование трансформации органического вещества и соединений фосфора в водной среде: предварительный анализ условий функционирования экосистемы Ладожского озера // Водные ресурсы, 1991, № 1. с.51-72.
Ладожское озеро - критерии состояния экосистемы. Наука СПБ., 1992, 325 с.
Хлебопрос Р.Г. Социально-экономическая оценка экологических объектов. Сибирск. отд. АН, Ин-т биофизики, Красноярск, 1990, 30с.
Пинчук Н.М., Гришман З.М., Дитятев А.Э., Евдокимов И.И., Левченко В.Ф., Меншуткин В.В. Исследование и прогнозирование экологического состояния Невской губы и восточной части Финского залива методами имитационного моделирования // Физиология человека, 1992, № 5, с.131-135.
Grishman Z.M., Evdokimov I.I., Pinchuk N.M. The Database of Hydrology and Planktonic Community of the Neva Bay, The East Part of the Finish Gulf and Ladoga Lake. // Proceedings of 8th Prague International Symp. Computer Simulation in Biol., Ecol., & Med., 1992, pp. 111- 116.
Шуйский В.Ф., Евдокимов И.И., Михнин А.Е., Белов М.М., Домпальм Е.И. Зависимость видового разнообразия пресноводных водоемов от степени многофакторного лимитирования. // Факторы таксономического и биохорологического разнообразия.Тез. докл. совещщ. С.-Петербург, 12-14 апр. 1995г. -Спб., 1995-с.91.
Шуйский В.Ф., Евдокимов И.И., Михнин А.Е., Белов М.М., Домпальм Домпальм Е.И. Лимитирование зообентоса экологическими факторами: количественная оценка. 1, Однофакторное лимитирование. // Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера. Тез. докл. междунар. конф. Петрозаводск, 19 -23 нояб. 1995 г. - Петрозаводск, 1995 - с. 174-176.
Шуйский В.Ф., Евдокимов И.И., Михнин А.Е. Лимитирование зообентоса экологическими факторами: количественная оценка. 2, Многофакторное лимитирование. // Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера. Тез. докл. междунар. конф. Петрозаводск, 19 -23 нояб. 1995 г. - Петрозаводск, 1995 - с. 176-178.
Шуйский В.Ф., Евдокимов И.И., Михнин А.Е., Белов М.М. Количественная оценка многофакторного воздействия на сообщества макрозообентоса // Сборник научных трудов ГосНИОРХ. 1995 - вып.314 - с. 87 -100.
Меншуткин В.В. Проект "Невская губа". // РАН, Санкт- Петербургский научный центр, Санкт-Петербургский научно- исследовательский Центр экологической безопасности, Санкт- Петербург, 1994, 43 с.
Меншуткин В.В., Макаров О.Н., Коноплев В.Н., Инге-Вечтомов С.Г. Интегрированная экоинформационная система большого города и прогнозирование экологических ситуаций. // Критерии экологической безопасности. Материалы научно-практической конференции 25-27 мая 1994 г. РАН, Санкт-Петербург, 1994, с. 41-47.
Меншуткин В.В., Макаров О.Н., Семенцов В.Н., Степанов М.М., Флоринская Т.М., Инге-Вечтомов С.Г. Общая концепция организации потоков данных в едином программном комплексе "Невская губа". // Критерии экологической безопасности. Материалы научно- практической конференции 25-27 мая 1994 г. РАН, Санкт-Петербург, 1994, с. 171-172.
Меншуткин В.В., Астраханцев Г.П., Писулин И.В., Руховец Л.В., Петрова Н.А., Инге-Вечтомов С.Г. Математическая модель для исследования реакции экосистемы Ладожского озера на изменение антропогенной нагрузки. // Критерии экологической безопасности. Материалы научно-практической конференции 25-27 мая 1994 г. Санкт-Петербург, 1994, с. 172-173.
Веремьев А.В., Гришман З.М., Евдокимов И.И., Левченко В.Ф., Уральский В.Л. Создание экологических баз данных для Финского залива // Информационные системы в науке (материалы симпозиума), Москва, 1995, с. 31.
Levchenko V., Evdokimov I, Grisman Z., Menshutkin V, Uralskiy V. The Databases on the Ecological Conditions of the Water Ecosestem of the East Part of the Finnish Guif (St. Petersburg Region) // Proceeding of ISEE95-conference, USA, 1995, 5 p.
Galtsova V.V., Starobogatov Ya.I.,Kulangieva L.V., Levchenko V.F., Mandryka O.N., Radikevich V.V., Ozerov A.A., Kartuzkov D.V. Meiobenthos of Islands in the Eastern Part of the Guif of Finland // Proceeding of 14 th BMB Symposium. Estonia, Parnu, 1995, p. 10.
Казанцева Т.И., Смирнова Т.С. Зоопланктон центрального района Ладожского озера (имитационное моделирование). СПб, Санкт-Петбургский научный центр, Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И.М.Сеченова РАН, 1996, 58 с.
Сергеев Ю.Н., Дмитриев В.В. Основные этапы становления школы имитационного моделирования экологических систем в учебно-научном центре географии и геоэкологии Санкт-Петербургского университета // География и современность, вып. 7. СПб, 1995, с. 222 - 239.
Клеванный К.А. Модель динамики Невской губы // Тезисы докладов балтийских океанографов. Спб.,1992.
Третьяков В.Ю., Козлова Г.И. Особенности функционирования современной водно-пойменной экосистемы оз.Ильмень // Охрана окружающей среды от загрязнения промышленнными выбросами. ЦБП. Л.,1989.
Рудаков Ю.А. Распространение примеси в прибрежной зоне приливного моря (на примере Онежского и Двинского заливов) // География и современность, вып. 7.Спб,1995,с 120-133
Васильев В.Ю., Дмитриев В.В., Мякишева Н.В., Огродовая Л.Я., Огурцов А.Н., Попова О.И., Третьяков В.Ю. Диагностика состояния водных экосистем южного побережья Финского залива от г.Ломоносова до м.Кургальского // География и современность, вып. 7. СПб, 1995, с. 134 - 160
Невская губа. Гидробиологические исследования. Под ред. Г.Г. Винберга и Б.Л, Гутельмахера // Ленинград,Тр.ЗИН,157,1987
Труды Государственного Гидрологического Института // Вып.321, стр.4-16.

Blog

Моделирование водных экосистем. Комплексный подход в. В. Меншуткин, О. Н. Воробьева, Т. И. Казанцева, В. Ф. Левченко Введение