ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТАТУСА НА ОСНОВАНИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Государственный мониторинг водных объектов 9
1.1.1 Задачи и нормативно-правовая база мониторинга водных объектов 9
1.1.2 Информативность показателей интегральной оценки состояния
водных объектов 11
1.2 Примеры математических моделей водных объектов 14
1.2.1 Математические модели озёр 14
1.2.2 Математические модели проточных водоёмов 19
1.2.3 Математические модели нагрузки на водосбор 20
1.2.4 Модели экономической оценки ассимиляционного потенциала 22
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 23
2.1 Модель «ВОДЭКО» 23
2.2 Информационная база для модели 25
2.3 Критерий Нэша-Сатклиффа 27
3 РЕЗУЛЬТАТЫ 31
3.1 Влияние «олиготрофного» и «эвтрофного» уровней содержания азота и
фосфора в речном стоке на поведение модели 31
3.2 Влияние начальных условий на поведение модели 34
3.3 Влияние залпового поступления биогенов 37
3.4 Моделирование воздействия токсиканта 39
3.4.1 Сравнение воздействия разных типов токсиканта 39
3.4.2 Влияние поступления токсикантов в разных концентрациях 48
3.5 Оценка чувствительности отдельных параметров 51
3.5.1 Оценка чувствительности параметров в олиготрофном и
эвтрофном экспериментах 52
3.5.2 Оценка чувствительности параметров в экспериментах с
поступлением токсиканта 54
ВЫВОДЫ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8
1.1 Государственный мониторинг водных объектов 9
1.1.1 Задачи и нормативно-правовая база мониторинга водных объектов 9
1.1.2 Информативность показателей интегральной оценки состояния
водных объектов 11
1.2 Примеры математических моделей водных объектов 14
1.2.1 Математические модели озёр 14
1.2.2 Математические модели проточных водоёмов 19
1.2.3 Математические модели нагрузки на водосбор 20
1.2.4 Модели экономической оценки ассимиляционного потенциала 22
2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 23
2.1 Модель «ВОДЭКО» 23
2.2 Информационная база для модели 25
2.3 Критерий Нэша-Сатклиффа 27
3 РЕЗУЛЬТАТЫ 31
3.1 Влияние «олиготрофного» и «эвтрофного» уровней содержания азота и
фосфора в речном стоке на поведение модели 31
3.2 Влияние начальных условий на поведение модели 34
3.3 Влияние залпового поступления биогенов 37
3.4 Моделирование воздействия токсиканта 39
3.4.1 Сравнение воздействия разных типов токсиканта 39
3.4.2 Влияние поступления токсикантов в разных концентрациях 48
3.5 Оценка чувствительности отдельных параметров 51
3.5.1 Оценка чувствительности параметров в олиготрофном и
эвтрофном экспериментах 52
3.5.2 Оценка чувствительности параметров в экспериментах с
поступлением токсиканта 54
ВЫВОДЫ 61
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 63
Актуальность работы. Методы исследований геоэкологии как междисциплинарного научного направления основаны на системном подходе, т.е. на широком применении различных способов моделирования, включая математическое имитационное моделирование. Системы окружающей среды рассматриваются как кибернетические системы, в которых происходит обмен веществом, энергией и информацией между самими блоками этих систем, а также с внешними по отношению к ним системами.
Системный анализ - это совокупность специфических методов и средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам. Он предполагает формализацию современных представлений о происходящих в экосистемах процессах в формы математических зависимостей и уравнений, и их исследование. Основа системного анализа - общая теория систем и системный подход. Последний представляет собой методологическое направление в науке, отвечающее за разработку средств и методов исследования систем как сложноорганизованных объектов.
Имитационное моделирование обеспечивает возможность исследования интенсивностей массобмена между компонентами модели экосистемы, что невозможно установить непосредственным наблюдением за реальной экосистемой. Актуальность работы объясняется необходимостью определения параметров водных экосистем, наиболее информативных для оценки их состояния.
Цель заключается в определении на основании результатов численных экспериментов с имитационной моделью экосистемы проточного водоёма комплекса наиболее информативных параметров для многокритериальной оценки экологического состояния водных объектов. При этом эти параметры должны быть достаточно просто определяемы при мониторинге.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. Выполнялся анализ показателей, характеризующих экологическое состояние водных объектов, и определяемых при государственном мониторинге поверхностных вод, и оценена их информативность.
Изучались современные программы мониторинга водных объектов и сгруппированы по их отличительным признакам. Рассматривались параметры, применяемые для оценки качества водных объектов и их экологического состояния.
Выполнялся обзор современных имитационных моделей функционирования экосистем водных объектов.
По результатам численных экспериментов с имитационной моделью функционирования экосистемы выполнялся анализ информативности параметров функционирования водной экосистемы для оценки её экологического состояния.
Объект исследования. В данной работе использованы результаты численных экспериментов с имитационной моделью функционирования экосистемы проточного водоёма.
Обработка численных экспериментов с компьютерной моделью «Программа для моделирования антропогенного эвтрофирования и отравления токсикантами водных экосистем (EVTOX)» (автор - В.Ю. Третьяков, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018661228, дата регистрации в Реестре программ для ЭВМ 04.09.2018). Исследования степени различий между результатами разных численных экспериментов осуществлены с помощью расчётов значений модифицированного В.Ю. Третьяковым критерия Нэша-Сатклиффа (А.Н. Гельфан, 2017; С. А. Седова, В. В. Дмитриев, В. Ю. Третьяков [и др.], 2021). Расчёты модифицированного критерия Нэша-Сатклиффа выполнены с помощью разработанной В.Ю. Третьяковым компьютерной программы «Программа для сравнения результатов двух модельных расчётов с помощью 7
модификации критерия Нэша-Сатклиффа (МК Нэша-Сатклиффа)», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020612788, дата регистрации в Реестре программ для ЭВМ 03.03.2020.
Системный анализ - это совокупность специфических методов и средств, используемых для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам. Он предполагает формализацию современных представлений о происходящих в экосистемах процессах в формы математических зависимостей и уравнений, и их исследование. Основа системного анализа - общая теория систем и системный подход. Последний представляет собой методологическое направление в науке, отвечающее за разработку средств и методов исследования систем как сложноорганизованных объектов.
Имитационное моделирование обеспечивает возможность исследования интенсивностей массобмена между компонентами модели экосистемы, что невозможно установить непосредственным наблюдением за реальной экосистемой. Актуальность работы объясняется необходимостью определения параметров водных экосистем, наиболее информативных для оценки их состояния.
Цель заключается в определении на основании результатов численных экспериментов с имитационной моделью экосистемы проточного водоёма комплекса наиболее информативных параметров для многокритериальной оценки экологического состояния водных объектов. При этом эти параметры должны быть достаточно просто определяемы при мониторинге.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи. Выполнялся анализ показателей, характеризующих экологическое состояние водных объектов, и определяемых при государственном мониторинге поверхностных вод, и оценена их информативность.
Изучались современные программы мониторинга водных объектов и сгруппированы по их отличительным признакам. Рассматривались параметры, применяемые для оценки качества водных объектов и их экологического состояния.
Выполнялся обзор современных имитационных моделей функционирования экосистем водных объектов.
По результатам численных экспериментов с имитационной моделью функционирования экосистемы выполнялся анализ информативности параметров функционирования водной экосистемы для оценки её экологического состояния.
Объект исследования. В данной работе использованы результаты численных экспериментов с имитационной моделью функционирования экосистемы проточного водоёма.
Обработка численных экспериментов с компьютерной моделью «Программа для моделирования антропогенного эвтрофирования и отравления токсикантами водных экосистем (EVTOX)» (автор - В.Ю. Третьяков, свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018661228, дата регистрации в Реестре программ для ЭВМ 04.09.2018). Исследования степени различий между результатами разных численных экспериментов осуществлены с помощью расчётов значений модифицированного В.Ю. Третьяковым критерия Нэша-Сатклиффа (А.Н. Гельфан, 2017; С. А. Седова, В. В. Дмитриев, В. Ю. Третьяков [и др.], 2021). Расчёты модифицированного критерия Нэша-Сатклиффа выполнены с помощью разработанной В.Ю. Третьяковым компьютерной программы «Программа для сравнения результатов двух модельных расчётов с помощью 7
модификации критерия Нэша-Сатклиффа (МК Нэша-Сатклиффа)», свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020612788, дата регистрации в Реестре программ для ЭВМ 03.03.2020.
1. При имитации изменчивости содержания субстанций в поступающем речном стоке для «олиготрофного» и «эвтрофного» экспериментов, соответствующей их внутригодовых динамикам в реках 1-ой и 4-й групп, показали колоссальные значения модифицированного критерия Нэша-Сатклиффа, рассчитанного сравнением динамик биогенных элементов. Это свидетельствует о большой чувствительности модели экосистемы к антропогенному эвтрофированию.
В то же время в экспериментах с имитацией динамики биогенов и органики в речном стоке в соответствии с их временной изменчивостью в реках 3-ей группы обнаружено незначительное различие динамик биомасс зоопланктона.
2. В экспериментах с «олиготрофным» и «эвтрофным» уровнями поступления азота и фосфора с речным стоком сильнее всего изменение начальных значений компонентов модели влияет на динамики биомасс рыб-прошлолеток, хищных рыб-сеголеток и бентофагов, олигохет и моллюсков, а также концентраций биогенов, растворённого кислорода, углекислого газа и органических углерода и азота. В «олиготрофных» экспериментах существенны различия динамик биомасс хищного зоопланктона.
3. При имитации залпового поступления азота и фосфора существенные изменения динамик наблюдались у таких компонентов модели, как биомасса рыб-прошлолеток, олигохет, а также концентрации растворённого углекислого газа.
4. В численных экспериментах с разными типами токсикантов как с имитацией их постоянного поступления, так и залпового значительные величины модифицированного критерия Нэша-Сатклиффа получены при сравнении динамик интенсивностей поступления токсиканта с пищей для бентосоядных рыб-прошлолеток и его поступления в диатомовые и синезелёные водоросли при биосинтезе, а также с водой для хищных прошлолеток и сеголеток и для моллюсков. У остальных динамик поступления токсиканта в организмы не обнаружено существенных различий.
5. При имитации поступления токсикантов в разных концентрациях в случае токсиканта 1-го типа наблюдается значительное различие динамик содержания токсиканта в органическом веществе взмученных донных илов; в случае токсиканта 2-го типа - значительное различие динамик содержания токсиканта в фитопланктоне и во взмученном органическом иле, а также значительный отклик даёт изменение динамик при биосинтезе фитопланктона и с поступлением токсиканта с пищей для растительноядных прошлолеток. Однако динамика содержания токсиканта в зоопланктоне, ихтиофауне, моллюсках и олигохетах практически не изменяется при значительном повышении концентрации токсиканта в речных водах.
6. Расчёты чувствительности отдельных параметров к антропогенному эвтрофировнию показывают значимый отклик на это воздействие динамик концентраций органического азота, а также азота в аммонийной, нитритной и нитратной формах. Чувствительность динамики концентрации органического фосфора существенно ниже. Чувствительность динамики биомассы олигохет к имитации антропогенного эвтрофирования значима только в экспериментах с имитацией внутригодовой динамики субстанций, характерной для рек 3-ей и 4-ой групп.
7. Расчёты чувствительности отдельных параметров к поступлению токсикантов 1-го или 2-го типов показывают значимый отклик на это воздействие динамик биомасс растительноядных рыб сеголеток, бактериопланктона и детрита, а для вегетационного периода - динамики биомассы растительноядных рыб сеголеток и бактериопланктона.
В то же время в экспериментах с имитацией динамики биогенов и органики в речном стоке в соответствии с их временной изменчивостью в реках 3-ей группы обнаружено незначительное различие динамик биомасс зоопланктона.
2. В экспериментах с «олиготрофным» и «эвтрофным» уровнями поступления азота и фосфора с речным стоком сильнее всего изменение начальных значений компонентов модели влияет на динамики биомасс рыб-прошлолеток, хищных рыб-сеголеток и бентофагов, олигохет и моллюсков, а также концентраций биогенов, растворённого кислорода, углекислого газа и органических углерода и азота. В «олиготрофных» экспериментах существенны различия динамик биомасс хищного зоопланктона.
3. При имитации залпового поступления азота и фосфора существенные изменения динамик наблюдались у таких компонентов модели, как биомасса рыб-прошлолеток, олигохет, а также концентрации растворённого углекислого газа.
4. В численных экспериментах с разными типами токсикантов как с имитацией их постоянного поступления, так и залпового значительные величины модифицированного критерия Нэша-Сатклиффа получены при сравнении динамик интенсивностей поступления токсиканта с пищей для бентосоядных рыб-прошлолеток и его поступления в диатомовые и синезелёные водоросли при биосинтезе, а также с водой для хищных прошлолеток и сеголеток и для моллюсков. У остальных динамик поступления токсиканта в организмы не обнаружено существенных различий.
5. При имитации поступления токсикантов в разных концентрациях в случае токсиканта 1-го типа наблюдается значительное различие динамик содержания токсиканта в органическом веществе взмученных донных илов; в случае токсиканта 2-го типа - значительное различие динамик содержания токсиканта в фитопланктоне и во взмученном органическом иле, а также значительный отклик даёт изменение динамик при биосинтезе фитопланктона и с поступлением токсиканта с пищей для растительноядных прошлолеток. Однако динамика содержания токсиканта в зоопланктоне, ихтиофауне, моллюсках и олигохетах практически не изменяется при значительном повышении концентрации токсиканта в речных водах.
6. Расчёты чувствительности отдельных параметров к антропогенному эвтрофировнию показывают значимый отклик на это воздействие динамик концентраций органического азота, а также азота в аммонийной, нитритной и нитратной формах. Чувствительность динамики концентрации органического фосфора существенно ниже. Чувствительность динамики биомассы олигохет к имитации антропогенного эвтрофирования значима только в экспериментах с имитацией внутригодовой динамики субстанций, характерной для рек 3-ей и 4-ой групп.
7. Расчёты чувствительности отдельных параметров к поступлению токсикантов 1-го или 2-го типов показывают значимый отклик на это воздействие динамик биомасс растительноядных рыб сеголеток, бактериопланктона и детрита, а для вегетационного периода - динамики биомассы растительноядных рыб сеголеток и бактериопланктона.
Подобные работы
- ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ИНФОРМАТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ИХ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТАТУСА НА ОСНОВАНИИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Магистерская диссертация, экология и природопользование. Язык работы: Русский. Цена: 5600 р. Год сдачи: 2022