1. Первый тип критической точки на фазовом портрете представляет собой точку перехода раскручивающейся спирали в дугу. Эта критическая точка соответствует ситуации, когда сообщество уже не может справиться с нарастающим воздействием на него. Из имеющихся данных такой переход в новое состояние отмечен для зоопланктона при влиянии хищника (молоди карпа) на структуру сообщества. Для сообщества рыб такой тип критической точки отмечен при эвтрофировании водоема на примере Сямозера и Мингечаурского водохранилища и влияния техногенной нагрузки на примере озера Имандра.
2. Второй тип критической точки на фазовом портрете представляет собой точку “перелома” траектории системы и имеет вид нарушений хода кривой в виде пиков. Эта критическая точка соответствует случаю резкого кратковременного возмущающего воздействия на сообщество. При сильном воздействии на водоем происходит элиминация части особей, и отклик на фазовом портрете соответствует по времени действию антропогенного фактора. Подобные изменения на фазовом портрете структуры уловов рыб Рыбинского водохранилищанаблюдали в 1984 и 1988 гг., что указывает на резкие возмущающие воздействия на водоем соответственно в 1983 и 1987 гг. Именно в эти годы в водохранилище отмечена массовая гибель рыб. Наиболее сильное влияние на рыб оказала авария на очистных сооружениях г. Череповца в 1987г.
При менее сильных воздействиях ответная реакция проявляется через смертность молоди. Тогда на фазовом портрете отклонения происходят со сдвигом по времени, равным времени вступления молоди в промысел. Такие изменения наблюдались в 1974 году на фазовом портрете структуры уловов рыб Мингечаурского водохранилища. Отмечалось нарушение плавности кривой, что соответствует отклику системы на возмущающее воздействие в 1970 году. В этот год в водохранилище был довольно низкий уровень воды, который обусловил ухудшение условий нереста. В результате в рыбном населении наблюдались небольшие структурные изменения и сдвиг устойчивого состояния на уровень, соответствующий меньшему, чем прежде разнообразию уловов.
|
|
Алгоритм выявления критической точки основан на анализе изменения плавности кривой фазового портрета сообщества гидробионтов. Для этого изучалась динамика приращения азимута при перемещении системы по фазовой траектории. Дополнительно анализировалась динамика скорости изменения разнообразия сообщества и его ускорения, которые имеют содержательную биологическую интерпретацию. Скорость изменения разнообразия характеризует интенсивность структурных перестроек, а ускорение, согласно кинематическому аналогу, связано с вызывающими перестройки силами.
В качестве примера критической точки первого типа рассмотрен фазовый портрет рыбного населения озера Имандра. Антропогенное воздействие на водоем увеличивалось с конца 1940-х годов параллельно с развитием металлургических и горно-обогатительных предприятий. Приоритетным фактором воздействия являются тяжелые металлы, а сопутствующим загрязнением - обогащение органическими и биогенными веществами. До 1960-х годов основу улова составляли лососевые и сиговые. В 1970-е годы из промысла практически исчезли крупные кумжа, озерный лосось и крупные сиги. В последнее время в водоеме произошло упрощение структуры рыбной части сообщества, в которой доминируют сиговые, окуневые и карповые.
|
|
В 1945-1963 гг. рыбное население водоема находилось в устойчивом состоянии при разнообразии уловов в 2,1 бит. Увеличение воздействия на водоем привело к тому, что к началу 1970-х годов система переходит в новое состояние, соответствующее уровню разнообразия 1.4 бит. 1965 год соответствует времени наступления критической точки в функционировании рыбного населения озера.
Для критических точек первого типа отмечается значительное уменьшение приращений азимута, и даже изменение знака. Скорость и ускорение реагируют на критические точки существенным понижением значений, при этом ускорение (воздействие) опережает изменение скорости (реакция системы). Аналогичные изменения азимута, скорости и ускорения отмечаются и в конце 1970-х годов. Возможно, это связано со сбросом теплых вод с Кольской АЭС, которое началось с 1974 года.
Озеро Имандра представляется интересным объектом для оценки степени воздействия, при которой сообщество рыб выходит из устойчивого состояния. Палеоэкологическая реконструкция антропогенных изменений в озере показывает, что в период 1950-80 годов на озере отмечался линейный рост токсической нагрузки. Наступление критической точки в функционировании рыбного населения озера соответствует 1965-му году. При этом, величина концентрации никеля в донных отложениях равнялась 5 мг/г. Приведенную выше оценку можно рассматривать только в первом приближении, поскольку вопрос о токсической нагрузке на водоем достаточно сложный.
|
|
В качестве примера критической точки второго типа рассмотрен фазовый портрет рыбного населения Рыбинского водохранилища. С 1971г. в связи с процессами эвтрофирования и загрязнения водоема в формировании ихтиофауны Рыбинского водохранилища наступил четвертый этап, названный “периодом ухудшения условий” или “дестабилизация”. Возросла амплитуда колебаний уловов рыб и относительной численности отдельных видов, принадлежащих к различным фаунистическим комплексам и экологическим группам. Траектория системы на фазовом портрете имеет вид раскручивающейся спирали, свидетельствующей о ее “разбалансировке” и интенсификации процессов перестройки. Частично это могло быть связано с действием аномально жаркого лета в начале 70-х годов на холодолюбивые виды: снеток и налим. Основной силой, вызвавшей этот процесс, следует считать возрастание в 1970-е годы количества промышленных и сельскохозяйственных стоков, что связано с ростом мощности Череповецкого промышленного узла и увеличением использования удобрений на площади водосбора. Уже в начале 1980-х годов в водохранилище регистрируются случаи локальной гибели рыб.
Для критических точек второго типа отмечается кратковременный всплеск абсолютных значений приращений азимута. Скорость и ускорение реагируют на критические точки существенным одновременным понижением значений.
Таким образом, предложен алгоритм выявления критической точки на основании анализа изменения плавности кривой фазового портрета сообщества гидробионтов. В основе алгоритма лежит изучение динамики приращения азимута при перемещении системы по фазовой траектории. Показано, что в критических точках происходит существенное изменение приращения азимута. При этом каждому типу критической точки соответствует свой тип изменения угла.
В дальнейшем стоит задача создания на основе этого алгоритма информационно-экспертной системы оценки экологической ситуации в водоемах.