Методологические основания экологического моделирования лежат в отношении методологии системного моделирования и фундаментальных принципов развития экосистем. Принцип единства формализованного и неформализованного описания (в идеале - всестороннего) экологических процессов и явлений отражает универсальность экологического моделирования - способность единой методикой охватить разнородные, разнокачественные процессы. Принцип единства теории и практики существенен, потому что доказана целесообразность двустороннего подхода к социальноэкологическому моделированию - построение общей концепции и выход в практическую область. Принцип значимости аксиологических и культурологических факторов вытекает из органической целостности субъекта и объекта экологических проблем.
Признание системного принципа организации природы как предмета экологии обусловило необходимость применения системного подхода как особого направления экологического исследования, сущность которого заключается в изучении всех компонентов системы, в их взаимодействии друг с другом и в развитии (в пространстве и во времени). Конечной целью исследования является построение модели системы, адекватно отражающей саму природную систему. Универсальность метода системного моделирования состоит в способности применения единой методики для описания разнородных и разнокачественных процессов в единстве структурности и иерархичности системно-экологических моделей.
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. Уникальность природных систем, вовлекаемых в крупномасштабные проекты, сильно ограничивает возможности активного экспериментирования с ними. Поэтому широкое распространение в экологии получило моделирование, особенно при изучении и прогнозировании взаимовлияния антропогенной деятельности и окружающей природной среды.
Модели активно и успешно используются в прогнозировании экологического развития, ГИС-технологиях, описании медико-демографических процессов или распространения загрязнений в окружающей среде, оптимизации хозяйственной деятельности человека и т. п. 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.
|
Имитационное моделирование широко используется при исследовании экосистем, и особенно биосферы, т.е. там, где учитывается множество разнохарактерных структурных компонентов экосистемы и многофункциональное их поведение. При этом для построения удовлетворительной модели в виде структурной схемы не нужно необъятного количества информации об огромном множестве переменных. Четырехкомпонентная структурная схема экосистем представлена на рис. 5, где показаны четыре основных компонента, учитываемых при моделировании экосистемы
Рисунок 5. Структурная схема движения и взаимодействия потоков вещества и энергии
Е – движущая сила; Р – свойства; F – потоки вещества и энергии; I - взаимодействие
На рис. 5 буквами Pt и Р2 обозначены два свойства, которые при взаимодействии I дают некое третье свойство Р3 (или влияют на него), когда система получает энергию от источника Е. На схеме обозначены также пять направлений потоков вещества и энергии (F), из которых F1 - вход, a F6 - выход для системы как целого. Поэтому, в работающей модели экологической ситуации имеется как минимум четыре ингредиента или компонента:
1) источник энергии или другая внешняя движущая сила;
2) свойства, которые системные аналитики называют переменными состояний;
3) направления потоков, связывающих свойства между собой и с действующими силами через потоки энергии и вещества;
4) взаимодействия или функции взаимодействий там, где взаимодействуют между собой силы и свойства, изменяя, усиливая или контролируя перемещение веществ и энергии или создавая качественно новые (эмерджентные) свойства.
Конкретизировать эту структурную схему можно на примере лугопастбищной экосистемы, в которой Р1 - зеленые растения, превращающие солнечную энергию Е в пищу. В этом случае Р2 обозначает растительноядное животное, поедающее растения, а Р3 - всеядное животное, которое может питаться как растительноядными, так и растениями. Взаимодействие I может представлять несколько возможностей. Это может быть «случайный» переключатель, если наблюдения в реальном мире показали, что всеядное животное Р3 питается Р1 и Р2 без разбора в зависимости от их доступности. Взаимодействие I может также иметь постоянное процентное значение при обнаружении, что рацион Р2 состоит, к примеру, на 80% из растительной и на 20% из животной пищи, независимо от того, каковы запасы P1 и Р2. Взаимодействие I может быть и «сезонным» переключателем в том случае, когда Р3 питается растениями в один сезон года и животными - в другой. Наконец, взаимодействие I может быть пороговым переключателем, если Р сильно предпочитает животную пищу и переключается на растения только тогда, когда уровень Р2 падает ниже определенного порога.
Структурные схемы являются разновидностью графических моделей. Графические модели раскрывают зависимость между процессами также в виде таблицы, диаграммы или графика. 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, описывающая саморегулирующуюся систему. Целостность такой системы поддерживается взаимосвязью природных компонентов. В более сложные модели в качестве нового элемента вводится человек (общество) и орган управления, который принимает и контролирует решения. 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 => изменения в окружающей среде => последствия изменения природы для человеческой деятельности => изменения Деятельности в сторону оптимизации ==> изменение оказываемого воздействия на окружающую среду и т. д.
Система «общество - окружающая среда» настолько перенасыщена связями, что высказывалось мнение о крайней сложности самой формулировки проблем окружающей среды на уровне всей биосферы, что связано с огромными временными параметрами биосферы, не сравнимыми с жизненным циклом исследователей, с трудностью различения и сопоставления антропогенных и природных процессов и их масштабов. В сфере современной экологии объект и среда проникают друг в друга, и даже меняются местами в процессе обмена веществом, энергией, информацией, что объясняет результативность только целостно-системной методологии. Необходимость учета факторов неопределенности и стохастичности, как объективных свойств условий, сопутствующих процессу развития экологических систем, связана с неполнотой и относительностью исходной информации о функционировании экосистем, результатов мониторинга и трудностями передачи информации с одного уровня иерархической структуры на другой и др.
Особенность современных человековключенных экологических систем является кризисность состояния, и, следовательно, для экологического моделирования имеет решающее значение предварительное определение критических точек, после достижения которых, процесс становится необратимым, хотя внешнее его течение еще может представляться благополучным. Еще одна особенность заключается в том, что адаптивность социоэкологических систем предполагает не только адаптивность природы к техногенным воздействиям, но и адаптивность общества к воздействиям факторов окружающей среды, т. е. общество выступает в качестве адаптивно-адаптирующей системы.
Подобное построение модели глобальной экосистемы и жизнеобеспечения человечества интегрирует в едином процессе экологического исследования междисциплинарный подход, в котором применяются наряду с информационностатистическими эмпирические и социологические методы. Они позволяют существенно расширить возможности практического исследования экологических систем и оценивания эффективности природоохранных технологий, объективно обрабатывать информацию, периодически обновлять сведения, осуществлять и интерпретировать результаты экологического мониторинга, оценивать действия экстремальных факторов внешней среды, последствий глобальных и локальных природных и техногенных катастроф.
В заключение можно сделать вывод о роли моделирования в экологических исследованиях и экологическом образовании. Использование терминов «модель», «математическая модель» и самих моделей для познания экологических процессов ознаменовало шаг вперед по сравнению с классическим методологическим подходом, «поскольку модельные представления более свободно модифицируют достаточно жесткие законы поведения исследуемых объектов».
Учебная литература
1. Богданов К.Ю. Физик в гостях у биолога. М.: Наука, 1986.
2. Зайцев Г.Н. Математический анализ биологических данных. М.: Наука, 1991.
3. Ивченко Б. П., Мартыщенко JI. А. Информационная экология. Ч. 1. Оценка риска техногенных аварий и катастроф. Статистичекая интерпретация экологического мониторинга. Моделирование и прогнозирование экологических ситуаций. - СПб.: «Нордмед- Издат», 1998.
4. Кларин М. В. Инновации в обучении; метафоры и модели: Анализ зарубежного опыта. - М.: Наука, 1997.
5. Краснощеков П.С., Петров А.А. Принципы построения моделей. М.: МГУ, 1983.
6. Лагоша Б. А. Методы имитационного моделирования: Учебное пособие. Моск. экон.-стат. ин-та. - М., 1986
7. Мизинцев В. П. Применение моделей и методов моделированния в дидактике: Материалы лекций. - М.: Знание, 1977;
8. Основы высшей математики и математической статистики / И.В. Павлушков и др. М.: ГЭОТАР - Медиа, 2007.
9. Петросян JI.A., Захаров В.В. Введение в математическую экологию. Л.: ЛГУ, 1986.
10. Природа моделей и модели природы / Под ред. Д. М. Гвишиани, И. Б. Новика, С. А. Пегова. - М.: Мысль, 1986.
11. Роговая О.Г. Экологическое моделирование. Практика. СПб.: Книжный дом, 2007. – 104 с.
12.Светозарова Г.И., Мельников А.А., Козловский А.В. Практикум по программированию на языке бейсик: Наука, 1988.
13. Сетубал Ж., Мейданис Ж. Введение в вычислительную и молекулярную биологию — Ижевск, 2007.
14. Смит Дж. Математические идеи в биологии. М.: КомКнига, 2005.
15.Ушаков Д.М., Юркова Т.А. Паскаль для школьников. СПб: Питер, 2011.
16. Фролов Ю.П. Математические методы в биологии. Самара: СамНЦ РАН, - 2012. 288 с.