Имитационная гидроэкологическая модель трансформации соединений

При построении моделей вначале строится логическая схема связей элементов экосистемы и выделяются важнейшие из них, а затем создается математический аналог экосистемы и производится формализация основных действующих в экосистеме процессов.

Модель используется для анализа особенностей гео- и гидроэкологического состояния водоема (или его отдельных участков), которое определяется спецификой гидрометеорологического, гидрохимического и гидробиологического режимов.

Это означает, что отдельные параметры состояния среды меняются в пространственно-временном масштабе, и на основе анализа их изменчивости изучается поведение экосистемы или ее реакция на воздействие природных и антропогенных факторов.

Выделение математического моделирования водных экосистем как самостоятельного научного направления началось с моделей Стритера-Фелпса (для изучения режима О₂ в реках) и Вольтера-Лотки (для изучения взаимоотношений типа хищник-жертва), появившихся в первой четверти ХХ в. К 1980 г. в мире было создано ~150 математических моделей разной сложности для изучения разных вопросов функционирования экосистем водоемов и водотоков [Айзатуллин, Шамардина, 1980].

Более сотни из этого количества моделей были разработаны для озер и водохранилищ (Великих Американских озер, также Братского, Иваньковского, Рыбинского, Можайского, Зейского, Днепровских, и других водоемов). Кроме задач евтрофирования водоемов, оценок потоков энергии и продуктивности, с помощью моделирования решались вопросы влияния периодического затопления суши на экосистему, массового “цветения” водохранилищ.

Большинство из этих моделей являются точечными корреляционно-регрессионными и точечными или двухрезервуарными моделями первичного продуцирования и бюджета Р, как лимитанта и фактора евтрофирования водных систем. Имитационные модели занимали только 10% в общем числе математических разработок и численных экспериментов на моделях [Айзатуллин, Шамардина, 1980].

К началу ХХI в. в мире уже было разработано достаточно много имитационных моделей, способных аналитически и численно исследовать происходящие в водных экосистемах изменения важнейших химических и биологических характеристик. Их обстоятельный обзор представлен в многочисленных литературных источниках [Вавилин, 1986; Домбровский и др., 1990; Цхай, 1995; Леонов, 1999; Якушев, 2002].

Отметим, что большинство моделей, касающихся вопросов трансформации веществ в морской среде под влиянием биохимических процессов, являются точечными или резервуарными. В пространственных моделях этим вопросам уделяется меньше внимания и акцент делается больше на анализ пространственно-временной изменчивости гидрохимических и биологических компонентов водных экосистем.

Имитационная гидроэкологическая модель трансформации соединений А.В. Леонова воспроизводит биотрансформацию органических и минеральных соединений органогенных элементов (N, P, С, Si) и режим О₂ в водной среде (в двухслойной водной экосистеме) и в поверхностном слое донных отложений. Краткое ее название - СNPSi модель. Это название модели мы и будем использовать в дальнейшем.

CNPSi – модель – по своей сути боксовая. С ее помощью успешно исследовались экосистемы озера Балатон в Венгрии [Леонов, 1986]. Одна из версий этой модели, включающая формы N и растворенного ОВ, была применена для исследования экосистемы Ладожского озера [Леонов и др., 1991]. Более поздняя версия модели позволяет рассчитывать трансформацию основных соединений органогенных элементов (С, N, P, O) [Леонов и др., 1994] использовалась для изучения Охотского, Каспийского, Белого и др. морей. Новейший вариант этой модели учитывает характеристики загрязнения (нефтепродукты, пестициды, тяжелые металлы, фенолы), продукцию фитопланктона и концентрации веществ в донных осадках [Leonov, 2000].

Все современные модели работают по схеме: потребление – выедание – смертность. При этом, как правило, каждую функцию моделируют отдельно. В модели А.В. Леонова две последние функции завязаны на потребление. Этим обеспечивается саморегулирование (самонастройка) модели. При настройке этой модели адаптационные коэффициенты достаточно изменить всего на 10-15%, чтобы модель максимально реально начала отражать процессы, происходящие в данной экосистеме. В других моделях, чтобы получить сравнимый эффект, коэффициенты необходимо изменять на порядки!!!