21.2. Моделиране на природни процеси при решаване на екологични проблеми
Суперорганизмовите системи (популации, биоценози, екосистеми, биосфера), изучавани от екологията, са изключително сложни. В тях възникват голям брой взаимовръзки, чиято сила и постоянство непрекъснато се променят.
Едни и същи външни влияния често водят до различни и понякога дори противоположни резултати. Зависи от състоянието, в което е била системата в момента на удара. Възможно е да се предвидят реакциите на системата към действието на конкретни фактори само чрез комплексен анализ на съществуващите в нея количествени връзки и модели. Поради това моделирането е широко разпространено в екологията, особено при изучаването и прогнозирането на природни процеси. Терминът "модел-" има редица семантични значения: 1) физическо (материално-природно) или символно (математическо, логическо) сходство (обикновено опростено) на реален обект, явление или процес; 2) намалено подобие на реален обект; прави разлика между валиден модел и само имитация на формата на нещо (оформление); 3) диаграма, изображение или описание на всяко явление или процес в природата и обществото. В екологията под модел доста често се разбира материален или мислено представен обект, който в процеса на изследване замества оригиналния обект, а директното му изследване дава нови знания за оригиналния обект. Моделът неизбежно опростява реалността и в същото време показва особено ясно елементите и връзките, които представляват интерес за учения. Моделирането е метод за изследване на сложни обекти, явления и процеси чрез тяхното опростено имитиране (естествено, математическо, логическо). Основава се на теорията за подобието (сходството) с аналогов обект. Изисквания към моделите. Най-важните изисквания към всеки модел са неговата прилика с моделиранияобект и наличието на следните свойства: —моделът е увеличено (клетка) или намалено (глобус) подобие на обект; —моделът може да забавя бързите процеси или да ускорява бавните; - моделът опростява реалния процес, което дава възможност да се обърне внимание на основната същност на обекта. Видове модели. Моделите обикновено се разделят на две групи: материални (обективни) и идеални (ментални), фиг. 21.3.
От материалните модели физическите модели са най-широко използвани в управлението на природата. Например при създаване на големи проекти, като изграждането на водноелектрически централи, свързани с промени в природната среда. Първо се изграждат намалени модели на устройства и конструкции, върху които се изследват процесите, протичащи при предварително програмирани въздействия. През втората половина на ХХ век. сред видовете модели в екологията все по-голямо значение придобиват идеалните: математически, кибернетични, симулационни, графични модели. Същността на математическото моделиране се състои в това, че с помощта на математически символи се изгражда абстрактно опростено подобие на изследваната система. Освен това, променяйки стойността на отделните параметри, те изследват как ще се държи дадената изкуствена система, т.е. как ще се промени крайният резултат. Математическите модели, изградени с помощта на компютри, се наричат кибернетични. Изследванията, при които компютърът играе важна роля в самия процес на конструиране на модел и провеждане на моделни експерименти, се наричат симулационно моделиране, а съответните модели се наричат симулация. Графичните модели представляват блокови диаграми (фиг. 21.4) или разкриват връзката между процесите под формата на графична таблица. Графичният модел ви позволява да проектирате сложни еко- игеосистеми.
По покритие на територията всички модели могат да бъдат: локални, регионални и глобални. При изграждането на математически модели на сложни природни процеси се разграничават следните етапи. 1. Реалните явления, които се планират да бъдат моделирани, трябва да бъдат внимателно проучени: идентифицирани са основните компоненти и са установени законите, които определят характера на взаимодействието между тях. Ако не е ясно как реалните обекти са свързани помежду си, е невъзможно да се изгради адекватен модел. На този етап е необходимо да се формулират въпроси, на които моделът трябва да отговори. Преди да се изгради математически модел на дадено природно явление, трябва да има хипотеза за неговото протичане. 2. Развива се математическа теория, която описва изследваните процеси с необходимата активност. На негова основа се изгражда модел под формата на абстрактни взаимодействия. Установените закони трябва да бъдат облечени в точна математическа форма. Конкретни модели могат да бъдат предоставени в аналитична форма (система от аналитични уравнения) или под формата на логическа диаграма на компютърна програма. Моделът на природния феномен е строг математически израз на формулираната хипотеза.
3. Проверка на модела - изчисляване на базата на модела и сравнение на резултатите с реалността. В този случай се проверява правилността на формулираната хипотеза. Ако има значително несъответствие между информацията, моделът се отхвърля или подобрява. Когато резултатите са последователни, моделите се използват за прогнозиране, като в тях се въвеждат различни начални параметри. Според Y. Odum (1986), моделирането обикновено започва с изграждането на диаграма или графикамодел, често под формата на блокова диаграма (виж Фигура 21.4). На фиг. 21.4, буквите P1 и P2 означават две свойства, които при взаимодействие (I) дават определено трето свойство P3 (или го влияят), когато системата получава енергия от източник E. Пет посоки на потока на материя и енергия (F) също са обозначени, от които F1 е входът, а F6 е изходът за системата като цяло. Следователно има най-малко четири съставки или компонента в работещ модел на екологична ситуация: 1) източник на енергия или друга външна движеща сила; 2) свойства, които системните анализатори наричат променливи на състоянието; 3) посоката на потоците, които свързват свойствата помежду си и с действащите сили чрез потоците на енергия и материя; 4) взаимодействия или функции на взаимодействия, при които сили и свойства взаимодействат помежду си, променяйки, засилвайки или контролирайки движението на вещества и енергия или създавайки качествено нови (възникващи) свойства. Блокова схема на фиг. 21.4 може да служи като модел на пасищна екосистема, в която P1 са зелени растения, които преобразуват слънчевата енергия E в храна. В този случай P2 е тревопасно животно, което яде растения, а P3 е всеядно животно, което може да яде както тревопасни, така и растения. Взаимодействие Мога да представя няколко възможности. Това може да е „случаен“ превключвател, ако наблюденията в реалния свят са показали, че всеядното P3 се храни с P1 и P2 безразборно в зависимост от тяхната наличност. Мога също да имам постоянна процентна стойност, когато се установи, че диетата P2 се състои например от 80% растителна и 20% животинска храна, независимо какви са запасите от P1 и P2?друг. И накрая, мога да бъда превключвател на прага, ако P3 силно предпочита животинска храна и преминава към растения само когато P2 падне под определен праг. Моделът на геосистемата (географска система) се използва като научна основа за управление на природата. Този модел се използва в управлението на природата за прогнозиране, както и за целите на управлението на управлението на природата чрез въздействие върху един компонент с цел получаване на положителен ефект от друг. Природната геосистема обикновено се разглежда като относително прост географски модел, саморегулираща се система. Неговата цялост се поддържа от взаимовръзката на естествените компоненти. В по-сложните модели като нов елемент се въвежда човек (общество), фиг. 21.5.
Ориз. 21.5. Модели на различни видове геосистеми - природни (А), природно-технически (В), интегрални (В) Схематичните чертежи и съответните им графични модели вдясно показват нарастване на броя на елементите, изграждащи всяка геосистема, и връзките между тях: 1 - границата на интегралната геосистема; 2 - граница на природно-техническата геосистема; 3 - граница на естествената геосистема; 4 - природни компоненти, елементи; 5 - технически елементи, подсистеми; 6 - население; 7 - орган за управление, който взема и контролира решенията; 8 - връзки между компоненти, елементи, подсистеми; 9 - връзки на входа и изхода на системите
Човекът е в състояние не само да се адаптира към естествената геосистема, но и да я трансформира. Използването на такива модели е типично при изследване на системи от типа "човек-среда". Използвайки тези модели, е възможно да се проследи веригата: въздействие върху природния комплекс? сложна промяна? последиците от промяната на природата за човешката дейност? промяна на дейността? промяна на въздействието си върху природата и др. В природните и техническите системи технологията и природата се представят като елементи на една система (фиг. 21.5B). Подход, при който природата и технологията се разглеждат като елементи на една система, несъмнено е способен да задълбочи разбирането на механизма на взаимодействие, разкривайки последствията от въздействието на технологията върху природата. Тук идеята за геосистемата като самоуправляваща се сравнително бързо се променя до идеята за нея като контролирана система. Геосистемата, която включва като свои елементи населението и управляващия орган, който взема и контролира решенията, се нарича интегрална (фиг. 21.5B). За рационалното управление на природата това е много важно, тъй като задачата е да се разработи система от мерки за запазване целостта на геосистемата.