Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Ф к л т т ачоо бчня

а у ь е зонг оуеи

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине

«СИСТЕМНАЯ ЭКОЛОГИЯ»

Сеилнсь 320300 - геоэкология пцаьот П д е и взрт о л ж т овау н ф к л т т ачоо бчня а а у ь е зонг оуеи РГГМУ Санкт-Петербург О о рн У е ы с в т мф к л т т эоои д беа ч н м о е о а у ь е а клги и иии ррдо сеы Г М фзк пионй рд Р Т У УДК (577.4+577.1)001. Методические указания по дисциплине «Системная экология» для высших учебных заведений. - СПб.: РГГМУ, 2010. - 39 с.

С с а и е ьВ.В. Дмитриев, д-р геогр. наук, проф.

отвтл:

О в т т е н йр д к о : В.А. Шелутко, д-р геогр. наук, проф.

те с в н ы еатр РГГМУ Р ц н е т В.Н. Мовчан, д-р биол. наук, проф., заведующий ка­ еезн:

федрой геоэкологии и природопользования СПбГУ, В методических указаниях даются пояснения к изучению ос­ новных разделов курса «Системная экология», приведены вопросы для самопроверки и контрольная работа. Контрольная работа вы­ полняется по основным разделам курса с использованием персо­ нального компьютера. Приводится конспективное изложение ма­ териала по четырем основным лекциям курса «Системная эколо­ гия» (для 0 3 0 ).

Методические указания предназначены для студентов эколо­ гов, геоэкологов, природопользователей гидрометеорологиических и географических факультетов университетов.

^ © Дмитриев В.В., Российский государственный гидрометеорологический гедривг-.^алидаогвйй ундарситуриверситет (РГГМУ),

БИБЛИОТЕКА

т т, СПЙ, М&«к»даш«гай пр.,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Курс «Системная экология» является одним из завершающих предметов в системе подготовки студентов экологов и геоэкологов гидрометеорологического профиля и имеет целью дать слушате­ лям комплекс знаний и навыков по совокупности принципов, кон­ цепций, методов системного анализа применительно к экологии и геоэкологии. Системная экология как формализованный целост­ ный подход стала самостоятельным разделом общей экологии в результате развития системологии, современных формальных ма­ тематических методов, информатики, обработки данных на ПК и т.д., а также формального упрощения сложных систем. В курсе освещаются проблемы, связанные со становлением, развитием и внедрением в экологию математических методов, а также методов формального упрощения сложных экологических систем и геосис­ тем на основе моделей. Рассматриваются: свойства сложных сис­ тем, основные принципы системологии, баланс масс и баланс ско­ ростей в моделях экосистем; история создания и возможности мо­ делей: роста популяций и биопродуктивности, питания гетеротрофов и отношений в системе «хищник-жертва», бактериальной про­ дукции и биохимического окисления органических веществ, биогеохимических циклов биогенных элементов, функционирования водных экосистем, глобального развития и др.

Программа составлена с учетом того, что студенты изучили предусмотренные учебным планом предметы, в которых освеща­ ются проблемы мониторинга, обработки и анализа данных гидро­ метеорологических наблюдений, оценки качества и токсического загрязнения среды, охраны природы, моделирования отдельных процессов механического переноса компонентов в водных объек­ тах, и готовы приступить к изучению моделей функционирования сложных систем в природе и обществе.

Те вопросы, которые изложены в курсе, не рассматривались ранее в других курсах или же даются здесь в форме, позволяющей углубить их изучение. Это, прежде всего: методологические осно­ вы построения точечных, блочных и непрерывных моделей экоси­ стем, геосистем, социосистем; подходы к моделированию удель­ ных скоростей обменных процессов в экосистемах; оценка внутри­ годового цикла функционирования водных экосистем; тактика и стратегия получения адаптивных ответов развития экосистем на основе моделирования; выявление критических состояний и пре­ делов антропогенного воздействия на экосистемы, и др.

Изучив курс, студенты должны знать:

- основные понятия и принципы системологии и их связь с законами экологии, основные стадии системного анализа в изуче­ нии природных систем;

- методы и этапы построения экологических моделей, задачи, которые необходимо решить при построении экологической модели;

- вид основных моделей: роста популяций и биопродуктивно­ сти, первичного продуцирования органического вещества в водной экосистеме и факторов его определяющих; питания гетеротрофов, отношений в системе «хищник-жертва»; трат на обмен живых ор­ ганизмов; бактериальной продукции и биохимического окисления органических веществ; биогеохимических циклов биогенных эле­ ментов, функционирования водных экосистем, глобального разви­ тия. Рассматриваются преимущества и недостатки моделей, рас­ смотренных в курсе;

- критерии и этапы исследования адекватности экологических моделей и методы получения на их основе индексов и интеграль­ ных показателей, характеризующих состояние и качество природ­ ных, природно-антропогенных, социо-эколого-экономических сис­ тем.

';

Студенты должны уметь:

- обосновать необходимость применения и практического ис­ пользования методов экологического моделирования в практике решения географо-экологических задач;

- выполнять расчеты интенсивностей и скоростей процессов массообмена на основе рассмотренных моделей с использованием ПК;

- проводить анализ результатов моделирования и получать обобщённые индексы, характеризующие состояние экосистем и воздействия на них на основе результатов моделирования.

Основные разделы курса студенты изучают самостоятельно по темам с использованием основной и дополнительной литерату­ ры, рекомендованной в указаниях. В' конце каждого раздела при­ водятся основные вопросы для самопроверки, которые могут быть включены в перечень экзаменационных тестовых заданий и вопро­ сов. Наиболее сложные и мало освещенные в литературе разделы курса и отдельные вопросы будут изложены на лекциях в период экзаменационно-лабораторной сессии. Для подготовки к занятиям приводятся конспекты лекций, вопросы и списки литературы по лекциям.

В период подготовки к сессии студенты выполняют кон­ трольную работу, в состав которой входят задания по основным разделам курса. Ход выполнения контрольной работы разбирается на установочной лекции или на занятии в период экзаменационно­ лабораторной сессии. В заданиях приведено конспективное теоре­ тическое изложение материала, расчетные параметры и константы.

Исполнитель оформляет расчетную часть, графическое представ­ ление на основе ПК полученных данных, кратко анализирует по­ лученные результаты. Контрольная работа, имеет эколого-гидрометеорологическую направленность и должна способствовать ус­ воению основных разделов курса, приобретению навыков практи­ ческого и прикладного использования экологических моделей.

При выполнении контрольной работы необходимо соблюдать следующие требования:

1. В теоретической и методической частях излагаются, цель, задачи и содержание исследования, возможные подходы к реше­ нию поставленной задачи, приводятся основные расчетные формулы с указанием их номера в круглых скобках. При оформлении контрольной работы студентами не рекомендуется полное дослов­ ное цитирование содержательной части задания, а также повторе­ ние приведенных в них в качестве: примера расчетов (результатов).

2. При выполнении расчетной части работы необходимо при­ держиваться этапов содержания работы, данных в указаниях.

Ссылка на формулы, приведенные в тексте работы, обязательна.

Результаты работы должны быть представлены в распечатанном на принтере виде и проанализированы.

3. Графические материалы, полученные с помощью ПК, должны содержать оси координат и обозначения к ним с указани­ ем размерности, номер рисунка и подрисуночную подпись. Табли­ цы должны иметь название и номер. Название графиков и таблиц должны содержать названия параметров, авторство (источник) ис­ ходной информации. В тексте анализа контрольной работы необ­ ходимо делать ссылки на таблицы и рисунки.

4. В заключение работы приводятся основные выводы и пе­ речень использованной литературы.

5. Не допускается коллективное представление контрольной работы несколькими студентами и копирование (дублирование) работы из одного файла.

Студенты самостоятельно выполняют работы в сроки, преду­ смотренные учебным планом, и допускаются к экзаменационнолабораторной сессии, (и зачету) только при наличии зачтенной контрольной работы. Сдача зачета без выполнения контрольного задания не допускается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абакумов В.А. Гидробиологический контроль пресноводных экосистем. - М.:

Гидрометиздат, 1983, 318 с.

2. Айзатуллйн Т.А., Шамардина И.П. Математическое моделирование экосистем континентальных водотоков и водоемов // Общая экология. Биоценология.

Гидробиология. М., 1980. Т.5. (Итоги науки.и техники ВИНИТИ АН СССР), с. 154-228.

3. Гольцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. Изд. Наука - СПб., 2007. - 364 с.

4. Дедю И.И. Экологический энциклопедический словарь. Кишинев, 1990.

5. Дмитриев В,В. Диагностика и моделирование водных экосистем., СПб., СПбГУ, 1995,215 с.

6. Дмитриев В.В. Методические указания к практикуму по моделированию круго­ ворота вещества в водных экосистемах. Часть I., СПб, СПбГУ, 2002, с.16-19.

7. Дмитриев В.В., Ж иров А.И., Ласточкин А.Н. Прикладная экология. Учебник для студентов высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2008, 608 с.

8. Дмитриев В.В., Третъяков В.10., Пряхина Г.В., Федорова И В. Методические указания к практикуму по моделированию 1фуговорота вещества в водных экосистемах. Часть И. (Методические указания). Учебно-методическое изда­ ние. СПб, Изд. СПбГУ, 2007, 47 с.

9. Дмитриев В.В., Фрумин Г.Т. Экологическое нормирование и устойчивость природных систем. Учебное пособие. СПб., 2004, 294 с.Дородницын А.А. Математика и описательные науки // Число и мысль, 1982, вып.5., М., «Знание», с.6-15.

11. Математическое моделирование в экологии. Под ред'‘ А.М.Молчанова, М., 12. М одели природных систем. П од ред. В.И.Гурмана, И.П.Дружинина, Н овоси­ бирск, «Наука», 1978, 222 с.

13. Одум Ю. Основы экологии М., 1975.

14. Реймерс Н.Ф. Природопользование: Словарь-справочник. М., 1990.

15. РозенбергГ.С. М одели в фитоценологии., М., «Наука», 1984, 265 с.

16. Сергеев Ю.Н. М оделирование экологических систем /Основы геоэкологии.

Изд. СПбГУ, 1994, с.297-349.

17. Сергеев Ю.Н., Супин Лю. М одели водных экосистем. СПб, Изд. «ГеоГраф», 2005,320 с 18. Снакин В.В., Мельченко В.Е., Бутовский P.O. и др. Оценка состояния и устой­ чивости геосистем. М. ВНИИ природа, 1992.

19. Стрспикраба М., Гнаук А. Пресноводные экосистемы. Математическое моде­ лирование / Пер. с англ. В.А. Пучкина; под ред. В.И. Беляева. М., 1989.

20. Управление риском : риск, устойчивое развитие, синергетика. П од ред. И.М.

М акарова. М., Наука. 2000.431 с.

21.Х ованов Н.В. Анализ и синтез показателей при информационном дефиците.

СПб., 1996.

22. Шитиков В.К., Розенберг Г. С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология:

методы, критерии, решения: в 2 кн., М.: Наука, 2005, кн. 1,- 281 с., кн.2 - 337 с.

23. Анохин Ю.А., Горстко А.Б., Дамешек Л.Ю. Математические модели и методы Г.Н.Константинова; Новосибирск, 1987.

24. Арефьев Н.В., Дмитриев В.В., Осипов Г.К., Осипов А.Г. Эколого­ экономическое обоснование сбалансированных форм регионального развития в системе “общество-природа” (цели, задачи, решения). Часть II. СПб, Изд-во СПбГПУ, 2003. Раздел монографии: «Эколого-географическая оценка природно-аграрного потенциала территории на основе квалиметрического анали­ за» с.242- 25. Бигон М., Харпер Дж., Таузенд К. Экология. Особи, популяции и сообщества.

В двух томах. М., «Мир», 1989.

26. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. JI.,1989.

27. Дадаян B.C. Орбиты планетарной экономики. М., 1989, 192 с.

28. Дмитриев В.В. Что такое экологическая оценка и как построить интегральный показатель состояния природной или антропогенно-трансформированной эко­ системы / Вопросы прикладной экологии. Сборник научных трудов РГГМУ, СПб, РГГМ У, 2002, с.23-30.

29. Дмитриев В.В. П рограмма дисциплины «Системная экология» для высших учебных заведений, (программа дисциплины для высших учебных заведений).

Издательство РГГМУ, СПб, 2002, 11 с.

30. Дмитриев В.В. М етодические указания по дисциплине “Системная экология” Специальность 320300 - Геоэкология. Курс V (методические указания по дисциплине). Издательство РГГМ У, СПб, 2001, 27 с.

31. Дмитриев В.В. Баланс естественной и общественной географий и является ли этнос геосистемой / Географические и геоэкологические аспекты развития природы и общ ества. Сборник научных статей по материалам отчетных науч­ но-практических конференций 2006-2007 гг. П од ред. Каледина Н.В., Дмит­ риева В.В., Алиева Т.А., СПб, Наука, 2008, с. 34-51.

Дмитриев В.В. Прикладная экология в системе высшего географического и 32.

экологического образования / Вопросы прикладной экологии. Сборник науч­ ных трудов РГГМ У, СПб, РГГМ У, 2002, с.90-96.

Мазур И.И., Молдаванов О.И., Шишов В.Н. Инженерная экология. Общий 33.

курс в д вух томах, М., 1996.

Меншуткин В.В. Имитационное моделирование водных экологических сис­ 34.

тем., СПб., 1993, 158 с.

35. М ногокритериальные географо-экологические оценки состояния и устойчи­ вости природных и урбанизированных систем. П од ред. В.В. Дмитриева и Н.В. Хованова. Деп. ВИ НИТИ 01.09.2000, № деп.2342В 00, 275 с.

36. М оделирование процессов переноса и трансформации вещества в море. П од общ ей редакцией Ю.Н.Сергеева. JL, И зд. ЛГУ, 1979, 291 с.

37. Самоочищение водоемов и биологическая очистка сточных вод / Общая эко­ логия. Биоценология. Гидробиология. Том 4., М., 1977, 220 с.

Сергеев Ю.Н., Кулеш В.П., Дмитриев В.В., Третьяков В.Ю. и др. Экосистема 38.

озера Ильмень и его поймы. И зд. СПбГУ, 1 9 9 5,215с.

Федоров М.П., Романов М.Ф. М атематические основы экологии. СПб, 1999, 39.

40. Экология предприятия. П од редакцией: М иронов С.М. (отв. редактор), Волкова И.И., Дмитриев В.В., Донченко В.К., Засядь-Волк В.В., Каледин Н.В., Маркова Ю.Л., Меланевская Л. А., Мишуков Д.М., Издат. дом М ЦФЭР, 2 0 0 7,8 0 0 с.

Прежде чем приступить к изучению курса «Системная эколо­ гия» необходимо уяснить, что каждая наука имеет свой специфи­ ческий объект исследования, цель и метод (методы) исследования.

На вводной лекции разбираются объект исследования, цель и ме­ тод (методы) исследования географии, экологии, геоэкологии, природопользования и др. Указать специфику объектов, цели, за­ дач и методов системной экологии. Предложить возможные опре­ деления системной экологии как раздела экологии, обобщающего совокупность принципов и концепций системного анализа приме­ нительно к экологии. Дать определение системного анализа как перевода известных физических, химических, биологических представлений об окружающих человека сложных системах в при­ роде и обществе в ряд математических зависимостей и операций над ними. Обсуждаются ключевые понятия: модель, экологическая модель, моделирование, имитационная модель, портретная модель.

Необходимо обосновать актуальность, новизну, инновацион­ ность и практическую значимость данного научного направления, исходя из основных стадий системного анализа, применительно к исследованию сложных природных систем. Определяются поня­ тия: оценка, оценка состояния системы, диагностика природного объекта, состояние природной системы и его оценка, состояние геосистемы, режим, эколого-географическая оценка, вектор со­ стояния системы. Приводятся примеры описания состояния вод­ ной экосистемы (построения вектора системы) на основе простых (аддитивных) и сложных (неаддитивных, эмерджентных) систем­ ных параметров.

Конспект лекции № 1; [ 4 ] - с.285, [ 5 ] - с.21-24, [ 1 5 ] —с. 1 1,[ 29 ], [ 32 ].

1. О пределение системной экологии. Объект, цель и методы исследования эко­ логии, специфика системной экологии.

2. Соотнош ение системной экологии и смежных наук.

В начале курса основное внимание уделяется основным дефи­ нициям: элемент сложной системы, структура, система, субъектобъектные отношения в природных, природно-антропогенных, социо-эколого-экономических системах. Рассматриваются про­ стые и сложные системы, системообразующие связи, признаки систем по А.С. Саркисяну. Анализируется описательный и точный периоды в развитии наук по акад. А.А. Дородницину, стадии (эта­ пы) развития новых направлений в науке. Рассматривается связь теории сложных систем (системологии) и системной экологии.

Исследуются характерные свойства системных связей. Вво­ дятся понятия скорости и удельной скорости (интенсивности) про­ цессов обмена веществом в экосистемах, учет нелинейности в оценке скоростей процессов обмена.

Подробно рассматриваются основные стадии системного ана­ лиза применительно к исследованиям сложных систем в природе и обществе. Рассматриваются основные черты сложных систем (большое число взаимосвязанных качеств - сложность структуры;

нелинейность связей; сложность поведения - выбор решения, стратегической цели; простые и сложные системные параметры).

Проводится обобщение неаддитивных (эмерджентных) признаков сложных систем. Рассматриваются: устойчивость, надежность, продолжительность жизни, живучесть, целостность, повторяе­ мость, неидентичность, упорядоченность, эмерджентность и воз­ можности их количественной оценки.

К онспект лекции № 1, [5 ] - с.24—29, [ 10 ] - с.6 -1 5, [ 15 ] - с. 12-16, [ 4 ] - с. 185, [ 29 ], [ 14 ] - с.475.

Описательный и точный периоды развития науки по акад. А.А. Дородницыну.

3. Системный анализ. Системный подход. Основные стадии системного анализа применительно к исследованию сложных природных систем.

4. Основные черты сложных систем.

5. Неадцитивные (эмерджентные) свойства сложных систем (устойчивость, про­ должительность жизни, живучесть и др.).

6. Скорость и удельная скорость (интенсивность) обменного процесса.

7. Экологическая модель и ее отличие от других моделей.

Компоненты экосистем и геосистем и внутрисистемные связи Дается определение понятий: компонент природный,, экологи­ ческий, средообразующий; рассматриваются: биотические и абио­ тические компоненты водных экосистем. Обсуждается иерархия экосистем и геосистем, ранги экосистем и геосистем, границы эко­ систем и экотоны, понятие сукцессии, концепция климакса. Особо подчеркивается роль скрытых от наблюдения внутрисистемных связей в функционировании природной системы. Дается понятие «странного аттрактора» с точки зрения скрытых от непосредст­ венного наблюдения структур и периодичностей в природных эко­ системах.

Обсуждается история взглядов на соотношение детерминиро­ ванного и случайного в моделях мира и эволюции. НьютоновоКартезианская модель мира и «демон Лапласа». Вероятностная модель. Новое учение об эволюции и синергетика. Универсальная модель (схема) эволюционного процесса. Роль случайности в эво­ люции.

Компоненты экосистем и геосистем. Требования к выбору компонентов в экологических моделях. Основные компоненты, процессы и возможности их моделирования. Постоянство химсо­ става компонентов биоценоза и детрита в моделях.

Конспект лекции № 2, [ 5 ] - с.2 1 -2 2, 2 4 -2 7, [ 14 ] - с. 1 9 4-197, [ 16 ], [ 31 ] 1. Иерархия экосистем и геосистем.

2. Внутрисистемны е связи и возмож ности их исследования.

3. Ньютоново-Картезианская модель мира и «дем он Лапласа».

4. Роль случайности в эволюции. П очем у эволюция необратима.

5. Биотические и абиотические компоненты наземных и водных экосистем.

Законы экологии и основные принципы системологии Подробно рассматриваются основные принципы теории сложных систем (системологии): «интегративных уровней» - со­ временный аналог принципа «бритвы Оккама», «контринтуитив­ ного поведения сложных систем» Дж.Форрестера, «множествен­ ности моделей», «осуществимости» Б.С. Флейшмана, «несовмес­ тимости» (Самарский, 1979, Заде, 1974) и принципы системности (Ворощук, 1982). Рассматриваются основные законы экологии, фитоценотические принципы Жаккара, закон экологического разнооб­ разия (биоценотические принципы ТйнемаНа), закон необходимого разнообразия (системологический). На примере закона внутреннего динамического равновесия (ВДР) и следствий из него характеризу­ ется связь принципов системологии и законов экологии.

В.И.Вернадский и законы существования биосферы. Положе­ ния Вернадского о биосфере и пример их современной интерпре­ тации. Законы Б.Коммонера. Фитоценотические принципы Жакка­ ра. Закон экологического разнообразия (биоценотические принци­ пы Тинемана). Закон необходимого разнообразия. Системный подход и проблема целостности.

К онспект лекции № 2, [ 6 ] - с.6 - 1 1, [ 14 ], [ 15 ]- с.142 - 167, [ 31 ] 1. Ф итоценотические принципы Жаккара.

2. Закон экологического разнообразия (биоценотические принципы Тинемана) и его современная интерпретация.

3. Основные принципы системологии и законы экологии.

4. Принцип интегративных уровней (иерархической организации сложных сис­ тем) - современный аналог принципа «бритвы Оккама».

5. Принцип контринтуитивного поведения сложных систем Д ж. Форрестера.

6. Принцип множественности моделей.

7. Принцип осущ ествимости (Б.С. Флейшмана).

8. Принцип несовместимости (Самарский, 1979, Заде, 1974).

9. Приведите пример использования на практике принципов системологии для построения моделей.

Исследуются этапы математизации экологии. Рассматривают­ ся принципы классификации моделей (по характеру использова­ ния, по целевой нагрузке, по вещественной реализации). Приво­ дится классификация моделей по соотношению вклада в их по­ строение человека и ПК Вводится понятие «имитационная мо­ дель» (по Н.Н.Моисееву и Г.С.Розенбергу). Отмечается, что ими­ тационная модель используются для предсказания структуры и поведения сложных систем. Положительные и отрицательные сто­ роны и цели имитационного моделирования Прогноз функциони­ рования и развития экосистем. Проблемы экологического прогно­ зирования. Критерии соответствия моделируемых и измеренных значений компонентов. Рассматриваются: содержание метода имитационного (англ. simulation) моделирования. Подчеркивается, что модель экосистемы должна быть адекватна самой экосистеме, в связи с этим рассматриваются: адекватность моделей, три крите­ рия адекватности, праксеологичность и «гармонизация» моделей, положительные и отрицательные стороны имитационного модели­ рования. Обобщаются выводы о проблемах, стоящих перед разра­ ботчиками имитационных моделей по Т.А. Айзатуллину и И.П. Шамардиной (1980); Ю.Н. Сергееву (1994) и др.

Принципы классификации моделей. Классификация моделей сложных систем по соотношению вклада в их построение разра­ ботчика модели (человека) и ПК. Этапы математического модели­ рования сложных систем (по В.В. Дмитриеву, 2000). Баланс массы и уравнения баланса скоростей массообмена. Графическая интер­ претация баланса масс и баланса скоростей в экологических моде­ лях. Виды графической интерпретации моделей и типичные ошиб­ ки визуализации.

Конспект лекции № 2, [ 2 ] - с.1 5 4 -1 7 3, [ 5 ] - с.5 -3 3, [6 ], [15] - с.2 2 -3 2, [16], [17] 1. Имитационная модель (по Н.Н.М оисееву и Г.С.Розенбергу). Проблемы, стоя­ щ ие перед разработчиками имитационных моделей.

2. Адекватность экологических моделей. Критерии адекватности. П раксеоло­ гичность моделей.

3. Принципы классификации моделей.

4. Н ужна ли «гармонизация» м оделей и как она соотносится с этапами адекват­ Изучаются: формулировка задач и выбор структуры моделей, выбор существенных переменных и их агрегирование, способ уче­ та внешних воздействий, способы отражения пространственной структуры, способы моделирования транслокации и трансформа­ ции компонентов; выделение факторов, лимитирующих первич­ ную продукцию; выбор способов описания метаболизма; проверка адекватности моделей (по Т.А. Айзатуллину и И.П. Шамардиной).

Необходимо уяснить разницу в способах представления геопро­ странства в моделях, различия между точечными, блочными, не­ прерывными моделями, выявить связи между ними (по В.В. Дмитриеву, 1995). Рассматривается пример точечной CNPXмодели, примеры блочных моделей.

Обобщается опыт исследователей по этапам математического моделирования сложных систем (по Г.С. Розенбергу, Б.С. Флейшману, Б.М. Миркину, 1984; В.В. Дмитриеву, 2000): формулиро­ вание целей, качественный анализ, синтез модели, верификация модели, исследование модели, экспериментирование с моделью.

Иллюстрация отдельных этапов сопровождается показом диа­ грамм потоков вещества и энергии Линдемана-Одума, Форрестера, и диаграмм круговорота вещества В.В. Дмитриева.

Рассматривается обоснование выбора моделей. Стохастиче­ ские и детерминированные модели. Введение стохастичности в детерминированные модели. Анализ чувствительности моделей при изменении модельных параметров. Приводятся примеры кри­ териев соответствия моделируемых и измеренных значений ком­ понентов.

Конспект лекции № 3, [ 2 ] - с. 155 -1 7 3, [ 5 ] - с.29 - 34, [ 15 ] - с.4 1 -1 3 3, [ 16 ] с.297 349, [ 1 7 ].

1. Диаграммы Л индемана-Одума потоков вещества и энергии в экосистемах.

Диаграммы круговорота вещества в экосистемах.

2. Баланс масс и баланс скоростей массообмена.

3. Основные проблемы, решаемые при создании имитационных моделей.

4. Этапы математического моделирования сложных систем.

5. П редставление геопространства в моделях. Точечные, блочные и непрерыв­ ные модели.

Концептуальные модели стратегии развития Рассматривается опыт понятийного (концептуального) моде­ лирования стратегии, развития экосистем. Для этого необходимо познакомиться с концепцией гk, I— систем (отбора) Мак-Артура и Уилсона (1967). Стратегия развития экосистем: концептуальная (вербальная) модель экологической сукцессии Ю. Одума и ее мо­ дификация для водных экосистем (геосистем)..Параметры модели и их порядки для молодых и климаксных (финитных) стадий раз­ вития экосистем циклического, транзитного и каскадного типов.

Для водных экосистем рассматриваются три класса трофности:

ультра-олиго; олиго-мезотрофия; эв-гиперэвтрофия.

Контрольная работа, задание № 1, [ 13 ] - с.324—345, [ 6 ], [ 8 ], [25].

Концепция г, к, /-систем М ак-Артура и Уилсона.

2. Концептуальная модель экологической сукцессии Ю.Одума. Параметры мо­ дели и их оценки для экосистем суши.

3. Стратегия развития водных экосистем на основе модели Ю.Одума.

На основе закона действующих масс рассматривается получе­ ния кинетических уравнений роста популяций в экологии. Рас­ сматривается история моделей биопродуктивности и роста попу­ ляций. Модели Мальтуса (1798), Гомпертца (1825), Ферхюльста (1833,1838), Пирла (1928), обобщенная модель роста популяции.

Вводятся понятия: «емкость среды» и «сопротивляемость среды» в уравнениях роста популяций.

Дается исторический обзор моделирования первичного био­ синтеза, рассматриваются подходы Либиха, Блэкмана, Тейлора, Шелфорда, Митчерлиха - Бауле и их применение в моделях пер­ вичной продуктивности. Для водной среды конкретизируются мо­ дели планктонной продукции и роста гйдробионтов Флеминга (1939), Райлея (1946), Кушинга (1959).

Рассматриваются современные аспекты этих идей в экологий толерантности: гипотеза «клеточной квоты», идея «триггерностй».

Уясняется смысл «Л-моделей» и «М-моделей» первичного био­ синтеза применительно к исследованию водных экосистем и их составляющие: уравнения Эппли, Лаймена, Стила, МихаэлисаМентен-Моно для моделирования первичного биосинтеза фито­ планктона.

Конспект лекции № 3; контрольная работа, задания 2, 3,4, 6; [ 12 ], [ 15 ] - с. 1 4 0 с.2 9 7 -3 4 9.

1. М одели роста популяций: модель М альтуса (1798), модель Гомпертца (1825), модель Ф ерхюльста (1833,1838), модель Пирла (1928); обобщ енная модель роста популяции.

2. И деи Либиха, Ш елфорда, М итчерлиха и их применение в м оделях первичной продуктивности.

3. Концепция «клеточной квоты». Экология толерантности и концепция «триггерности».

4. Уравнения Эппли, Лаймена, Стила, М ихаэлиса-М ентен-М оно для моделиро­ вания влияния факторов среды на первичный биосинтез фитопланктона.

5. «Л » и «М » модели.

6. М одели планктонной продукции и роста гидробионтов: модель Флеминга (1939), модели Райлея (1946), модели Кушинга (1959).

7. М одельные оценки влияния биогенов (азота, фосфора, кремния) на лимита­ цию первичной продукции на годовом этапе функционирования водной эко­ системы.

8. М оделирование первичного биосинтеза на примере фитопланктона.

Модели «хищник-жертва», модели конкурентного развития Изучение моделей начинается с модели В. Вольтерра и А. Лотки, на основе которой выводятся: закон периодического цикла, закон «сохранения средних», закон «изменения средних».

Уясните понятия: «усвояемость пищи», «коэффициент трофиче­ ского взаимодействия» и их представление в моделях. Изучается модель возможности выживания конкурирующих видов (модель конкуренции В. Вольтерра и А. Лотки). Вводятся коэффициенты внутривидовой и межвидовой конкуренции, рассматриваются со­ отношения между ними и их использование для прогноза выжи­ ваемости видов.

Рассматривается специфика питания организмов в наземных и водных экосистемах. Затем следует перейти к моделям фильтра­ ции воды зоопланктоном, расчету фильтрационной активности и времени осветления воды зоопланктоном в разные гидрологиче­ ские сезоны, моделированию связи рациона с внешними фактора­ ми и концентрацией корма и обобщенной модели питания гетеро­ трофов на примере водной экосистемы (по В.В. Дмитриеву). Для этого вводятся и формализуются понятия: скорость потребления пищи, фильтрация, фильтрационная активность, время осветления воды, рацион, экологический рацион, отброшенная пища, усвоен­ ная (ассимилированная) и неусвоенная пища, отношение рациона к экологическому рациону, матрица трофического взаимодейст­ вия, суммарная пища, пороговая, поддерживающая и критическая концентрации корма.

Рассматривается истории создания моделей. Модели Райлея (1946). Детерминированная модель. Модели Кушинга (1959).. Мо­ дель В.В. Дмитриева фильтрационной активности и времени ос­ ветления воды зоопланктоном в разные гидрологические сезоны.

Современные представления о питании зоопланктона. Скорость потребления пищи. Ассимиляция пищи зоопланктоном. Рацион и экологический рацион. Отброшенная пища. Выделение в среду неусвоенной пищи. Общая схема моделирования питания гетеро­ трофных организмов в водных экосистемах.

Конспект лекций № 3 и № 4; контрольная работа, задание 5; [ 5 ], [ 9 ], [ 6 ], [ 8 ].

1. М одель «хищ ник-жертва» В.Вольтерра и А.Лотки. Закон периодического цикла. Закон «сохранения средних». Закон «изменения средних».

2. М одель конкурентного развития видов В.Вольтерра и А.Лотки. В озм ож ности выживания конкурирующ их видов, 3. М одели фильтрации воды зоопланктоном. Суммарная пища. Критические концентрации корма. Расчет фильтрационной активности и времени осветле­ ния воды зоопланктоном в разные гидрологические сезоны.

4. К оэффициент трофического взаимодействия и его представление в моделях.

Матрица трофического взаимодействия. Питание гетеротрофов. М оделиро­ вание скорости потребления пищи зоопланктоном.

5. Оценка самоочищения водной экосистемы на основе моделирования фильт­ рационной активности и времени осветления воды зоопланктоном.

Моделирование трансформации органического Прежде чем приступить к рассмотрению моделей бактериаль­ ной продукции и транформации вещества, необходимо познако­ миться с экологией бактерий и их ролью (и экологической нишей) в экосистемах. Последовательно рассматриваются модели Хумитаке-Секи (1982), Огриттера-Фелпса (1925) и кинетические модели биохимического потребления кислорода (БПК). Затем можно пе­ рейти к модели «популяция-субстрат» (Баго ввести понятие «экономического коэффициента» бактерий и рас­ смотреть модель Кенейла (1969) и моделирование биогеохимических циклов биогенных элементов в водной экосистеме на при­ мере цикла азота по модели Мияки и Вада (1968). После этого рассматриваются скорости обменных процессов в водном бактериоценозе и моделирование удельных скоростей массообмена в бактериоценозе: рост, траты на обмен, естественное отмирание;

внешний бактериальный гидролиз взвеси бактериями ассоцииро­ ванными с детритом. Выводятся формулы для расчета бактери­ альной продукции. Рассматриваются: моделирование трансфор­ мации РОВ, зависимость удельных скоростей процессов разло­ жения компонентов РОВ от температуры воды. Оценка состояния водной экосистемы по соотношению скоростей обменных про­ цессов в модели водного бактериоценоза; построение модели бактериального продуцирования органического вещества в водо­ еме; современные представления о балансе скоростей массооб­ мена в водном бактериоценозе.

Обсуждаются результаты моделирования годового цикла функционирования водных экосистем (примеры моделирования).

К онспект лекции № 4; контрольная работа, задание 5; [ 5 ] - с. 156—165; 174—179, [26], [37], [38].

1. М оделирование трансформации органического вещества в природных водах.

2. М оделирование биогеохимического цикла азота в водной экосистеме. М одель 3. М одель Стриттера-Фелпса (1925).

4. М одель «популяция-субстрат» (Багоцкий, Вавилин, 1976).

5. Понятие «экономического коэффициента» бактерий.

6. М одель Кенейла (1969).

7. М оделирование удельных скоростей массообм ена,в бактериоценозе. Внеш ний бактериальный гидролиз взвеси бактериями, ассоциированными с детритом.

8. Расчет бактериальной продукции. М оделирование трат на обмен бактерий.

Единые схемы баланса скоростей в моделях экосистем Выводится связь между скоростями в системе «биоцёнозбиотоп» на примере первичного продуцирования ОВ й трат на об­ мен у продуцентов, консументов и редуцентов в водной'экосисте­ ме. На данном этапе разбирается точечная обобщенная модель транслокации и трансформации вещества в водной экосистеме.

Рассматриваются возможности моделирования замкнутых и от­ крытых по веществу экосистем.

Конспект лекции № 4; [ 2 ] - с.2 9 -3 2 ; 190-195.

1. Связь м еж ду скоростями массообм ена в систем е «биоценоз-биотоп» на при­ мере первичного продуцирования О В в водной экосистеме, питания гетеротрофов, бактериального продуцирования органического вещества в водной экосистеме.

2. «Алхимические» превращения в моделях, их происхож дение и устранение.

Глобальные проблемы современности. Римский клуб. Гло­ бальные социально-эколого-экономические модели. Модели ус­ тойчивого развития. Модели Римского клуба. Мир-1 Мир-2. Пара­ метры и уравнения модели «Мир-2» Дж. Форрестера. Результаты моделирования и их Оценка. Модель «Мир-3». Отличие модели «Мир-3» от предшествующих моделей. Модель МесаровичаПестеля (1974). Модель В. Леонтьева «Будущее мировой экономи­ ки» (1977). Лоуренс Клейн и система «ЛИНК» (1977). Модель Всемирного банка «СИМЛИНК». Модель ГОЛ. COM3 - Система Оценки Мировой Энергетики. Модели ВПК. Система для анализа глобальной безопасности и устойчивого развития акад. И.В. Мат­ росова (1997). Мировая экономика и модели эколого-экономического развития отдельных государств. Концепции и модели ус­ тойчивого развития цивилизации. Модели устойчивого развития регионов. Парадигма и стратегия и устойчивого развития. «Уроки будущего», определенные «Глобальной экологической перспекти­ вой» («ГЕО-3», Йоханнесбург, 2002).

Конспект лекции № 4; [11] - с.1 3 9 -1 8 2, [19].

1. Глобальные экологические модели. М одели Римского клуба.

2. Компоненты и уравнения модели «М ир-2» Д ж. Ф оррестера. Специфика м оде­ лей Д ж. Ф оррестера, М. М есаровича, Э. П естеля. Основные выводы и резуль­ таты моделирования.

3. Устойчивое социо-эколого-экономическое развитие.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Концептуальная модель стратегии развития Ю. Одум (1975) при разработке концептуальной модели стра­ тегии развития наземных экосистем рассмотрел тенденции, кото­ рые следует ожидать в их развитии, сгруппировав основные кри­ терии оценивания в 6 групп (табл.1). Рассмотрим эти критерии для 2-х стадий (классов) развития экосистем (1 - молодые, развиваю­ щиеся и 2 - зрелые, климаксные стадии). Добавим к ним несколь­ ко критериев Н.Ф. Реймерса (1990).

Концептуальная модель стратегии развития наземных Группы й названия признаков Развивающиеся Решением этого уравнения является функция, связывающая освещенность 1($ на глубине z с освещенностью на поверхности ВОДЫ 1(0).

Формула (2) используется для определения среднеинтеграль­ ной (7) величины освещенности водного слоя толщиной Н:

При двухслойной структуре водной толщи (Н = Н]+Н2 для определения среднеинтегральной освещенности верхнего (Hi) и нижнего ( 2 слоев применяются зависимости Формула (1) используется также для определения освещенно­ сти на горизонте zj верхнего слоя толщиной Hi и на горизонте z нижнего слоя толщиной Н.у Во всех этих формулах 10— поступающая на поверхность воды суммарная за сутки солнечная радиация (кал/см2 сут или МДж/м сут); к- коэффициент экстинкции; К - коэффициент, отражаю­ щий зависимость количества проникающего под лед света от тол­ щины (и степени загрязнения) льда и снежного покрова; у - коэф­ фициент ослабления света суммарной взвесью (1/м); z z l, z2 - го­ ризонты наблюдений. Э с и к и сеа(от лат. extinction - га­ шение) — ослабление света при распространении в среде за счет процессов поглощения и рассеяния. Мерой экстинкции служит коэффициент экстинкции света к 4 т Х, где п показатель пре­ дящий в выражение закона Бугера-Ламберта-Бера, который опре­ деляет ослабление света с начальной интенсивностью 10 при про­ хождении его через среду с показателем поглощения к толщиной I :1= 10 ер(-kl). Для растворов к /С, геС - концентрация, у показатель поглощения раствора единичной концентрации.

Влияние освещенности на удельную скорость роста планк­ тонных водорослей f(I) в соответствии с функциями Райтера и Дж.Стила запишем в виде:

где I - среднеинтегральная освещенность в слое или освещенность приходящая на горизонт; 1о - оптимальная освещенность, зада­ ваемая константой или с учетом характеристики области светового насыщения Дж. Толлинга (1Кпо формуле:

где е - основание натурального логарифма. Параметр / к - видоспе­ цифичен, изменяется зонально и по сезонам года.

Функция f(I) изменяется в диапазоне от 0 до 1,0. Обратная ей функция l/f(I) показывает, во сколько раз недостаток света уменьшает максимальную удельную скорость роста. Её нахожде­ ние для разных таксонов водорослей и является основной задачей работы.

Задания по работе:

Оценить и представить графически влияние освещенности на рост различных таксонов фитопланктона внутри года (функция l/f(I)) для следующих вариантов. Освещенность 10, МДж/м2сут задать по таблице 1. Для перевода МДж/м2 в кал/см2 используйте переводной коэффициент 1 МДж/м2= 23,866 кал/см2.

ских единиц фитопланктона изменяется следующим образом (пе­ ревести в МДж/м2сут): 1К = 0,069. кал/см2мин (диатомовые);

1К=0,055 кал/см2мин (синезеленые). Параметр к (для прозрачного льда) рассчитать по эмпирическому уравнению: к = а А где а =0,8; Р= 0,014; А-толщина льда на поверхности воды зимой в сантиметрах (принять для декабря-апреля А - З'О см или задать толщину льда по месяцам самостоятельно с учетом нарастания и таяния льда). В случае отсутствия льда к=1.0. Величину у опре­ делить из эмпирической формулы: y=a(Bs +M)+b, где а 0,141; Ъ = 0,164; B s~ суммарная взвесь (фитопланктон (F) +зоопланктон (Z) + бактерии ( ) +детрит (D)); М -мутность воды (мг/л), задать по таблице 4.

С уммарная за сутки освещ енность 10 содержание в воде фито-, зоо-, бактерио-планктона и детрита (мг сух.веса /л).

I П Ш IV V VI IX X XI ХП

сяцh 2. Проанализируйте, какие из перечисленных факторов и ко­ гда в наибольшей степени определяют световой' режим данной водной экосистемы, и какие таксоны фитопланктона и когда име­ ют преимущества в развитии внутри года.

1. Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб., Изд.

СПбГУ, 1995,215с.

2. Климат Ленинграда. П од ред. Ц.А. Ш вер, Е.В. Алтыкиса, JI.C. Евтеевой, Л., ГМ И, 1982, 252 с.

3. Кондратьев К.Я., Филатов Н.Н., Зайцев Л.В. Оценка водообмена и зон за­ грязнения водоемов по данным космической съемки. ДАН СССР, 1989, 304, 4, с.829-832.

4. РаймонтД. Планктон и продуктивность океана. 2-е изд. М.,1983,Т.1,568 с.

5. Сергеев Ю.Н., Дмитриев В.В. Оценка современного состояния и перспектив эвтрофирования восточной части Финского залива на основе Моделирования круговорота вещества в водной экосистеме / Вестник ЛГУ, 1990, сер.7, вып.1, № 7, с.50-62.

6. Скриптунов Н.А., Ермак К.И., Иоселев Я Х. и др. Гидрология устьевой облас­ ти Невы, М., 1965, 383с.

7. Третьяков В.Ю., Дмитриев В.В. Влияние различных экологических факторов на интенсивность первичного биосинтеза // Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. Геология и география. 1987. N 27, Вып. 4. С. 104-107.

8. Hoeg S, Schellenberger G. U ber A nderungen der Licht texiction in einem eutrofen See und ihre Ursachen // Acta Hidrophysica, XIII, Heft 1, 1968, s. 11-60.

9. Maeda O., Ichimura S. O n the high density o f a phytoplankton population found in a lake under ice // Intern. Rev. gesamt. Hydrobiol. 1973. Bd.58, H.5, p.78-90.

10. Steele Т.Н. Environmental control o f photosynthesis in th e sea // Limnol. and Oceanogr. 1962. Vol.7. N 2, p. 98-117.

Моделирование лимитации биогенами продуцирования органического вещества фитопланктоном Оценка лимитации биогенами первичной продукции прово­ дится на основе гидрохимических наблюдений за содержанием аммонийного, нитритного, нитратного азота, минерального фос­ фора, кремния и железа. Удельная скорость (интенсивность) пер­ вичного продуцирования ОВ фитопланктоном JU F является функ­ цией температуры воды ft ) освещенности f(I), концентраций био­ генных элементов, главным образом фосфора f(P), азота f(N), кремния f(Si) а также зависит от других факторов, в том числе и от концентрации загрязняющих веществ.

Целью работы является оценка только f(P), f(N), f(Si) по фор­ мулам Мхэ и а М н е - М н :

где fi р - максимально возможная цF, зависящая от темпера­ туры воды и индивидуальных объемов клеток водорослей; Р концентрация в воде фосфатов; Ns -концентрация суммарного доступного фитопланктону азота, определяемая по формуле Ns = Н + a(N02+N03 а= 1/(1+(NH ция в воде кремния; К, K N, Kst - константы "полунасыщения" по фосфору, азоту, кремнию, имеющие размерность концентрации и соответствующие такому ее значению, при котором / рравна по­ ловине от (JL F max \ ного азота, при которой происходит переключение азотного пита­ ния фитопланктона с аммонийного на нитратное и нитритное, «а»

- параметр, регулирующий гладкость переключения азотного пи­ тания.

В (1),(2),(3) отношения Р( Р ), N s/(Kn + N s) Si/(KS +Si) меньше 1,0 и показывают, что f(p), f(N), f(Si) составляют некото­ рую долю от f,ра В результате работы необходимо ответить на вопрос, во сколько раз недостаток того или иного биогена умень­ шает ц F max. Для этого рассчитываются параметры rP, rN, rS об­ ратные отношениям г =К + )Р rN=(KN+Ns)/ Ns, rSi=(KSi+Si)/Si.

р( рР/, Таким образом, г г r показывают, во сколько раз недостаток в воде того или иного биогена уменьшает максимально возможную интенсивность продуцирования ОВ фитопланктоном. В результате выполнения работы проводятся расчеты параметров Для расчета величин rP, rN, rS задаются значения К, K N, K S, N H 4к тсредние концентрации биогенов, после этого рассчитыва­ ется параметр " " Если значения " " очень мало, то концентрации N 0 2 и N 0 3 в расчет не берутся. В этом случае принимается, что Ns = N H 4 и вычисляется параметр rN. Найденные значения сопостав­ ляются между собой, и делается вывод о степени лимитации пер­ вичной продукции биогенами в отдельные сезоны (месяцы) года.

Задания по работе:

1. Оценить лимитацию биогенами первичной продукции в разных водных экосистемах по следующим исходным данным:

значения параметров полунасыщения: для биогенов: К = мкг/л, K n =35 мкг/л, K Si= 50 мкг/л; критическая концентрация аммонийно­ го азота N H 4Kpum= 17 мкг/л.

1а. Район - восточная часть Финского залива (пролив Бьеркезунд). Концентрации биогенов (в мкг/л) в слое 0-5 м задаются по сезонам из наблюдений в восточной части Финского залива в 1972-73 гг.

З м : N H 4=50; Щ =5,0; N 0 3=170; Р=28; 5г=1400.

Рня всаN H 4=40; N 0 2=l,2-, N 0 3=160\ Р=27; 57=760.

Пзнявса- рнел т : N H 4 =20; N 0 2 =0,5; N 0 3 =20; Р =9,0; *=280.

Л т :N H 4=\0;N02=0,5;N03=10; P=\0; Si =550.

О еьN H 4=45; N 0 2=3,5; N 0 3=100; P =17; Si =900.

16. Р а й о н -о зер о Ильмень. Концентрация биогенов (мг/л) за­ дается из таблицы 2. Константу полунасыщения по железу при­ нять равной K Fe= 40 мкг/л.

Содержание биогенов (мг/л) в водах оз. Ильмень по [ 5.

2. Результаты работы представить графически (по ОХ - время, по О У - г rN,г,rFe для вариантов) или таблично.

.Дмитриев В.В. Диагностика и моделирование водных экосистем. СПб., Изд.

СПбГУ, 1995, 215 с.

2. Дмитриев В.В. Методические указания к практикуму по моделированию кру­ говорота вещества в водных экосистемах. Часть I. Учебно-методическое из­ дание. СПб, Изд. СПбГУ, 2002, 38 с.

3. Третьяков В.Ю., Бойцов А.В., Васильев В.Ю. и др. Сезонная динамика содер­ жания биогенных элементов и влияние различных факторов на интенсивность первичного биосинтеза в оз.Ильмень // Актуальные проблемы современной лимнологии. Л., 1988, с.43-47.

4. Третьяков В.Ю., Дмитриев В.В. Влияние различных экологических факторов на интенсивность первичного биосинтеза // Вестн. Ленингр. ун-та. Сер. Гео­ логия и география. 1987. N 27, Вып. 4, с. 13—17.

5. Экосистема озера Ильмень и его поймы. Изд. СПбГУ, 1997, 275 с.

Моделирование питания зоопланктона. Моделирование самоочищения водной экосистемы по фильтрационной активности и времени осветления воды зоопланктоном Баланс скоростей массообмена для водного зооценоза, пред­ ставленного агрегированными группами зоопланктона (Z) учиты­ вает соот веаи и крсьасмлци и иорганизма­ крсь ыдня соот сиияи п щ ми, на основе одновременного учета двух способов добывания пищи: фильтрации и хищничества (Дмитриев, 1995). Выберем в качестве основного способа питания фильтрацию.

В Водном кодексе Российской Федерации (2000) в статье содержатся такие определения, как згянневды оъко, зсрне и т щ н евод, и т.п., однако в перечне основных по­ аоеи, с о е и нятий отсутствует определение понятия с мо и е и вд( о о ео) Следуя И.И.Дедю (1991) с м о и е и есть совокупность ес­ тественных процессов обезвреживания примесей, поступивших в природную среду или организмы. Под с м о и е и мсеыпо­ нимается процесс химической, физико-химической и биологиче­ ской нейтрализации (обезвреживания) загрязнителей окружающей среды. Автор отмечает, что для многих стойких загрязнителей или ксенобиотиков самоочищение может быть равно нулю. Под с м ­ао о и е и м вдео понимается свойство водоемов превращать ч щ н е оомв органические и часть неорганических веществ в безвредные со­ единения. Механизмы процессов самоочищения водоемов подраз­ деляются на фзчси (оседание суспензированных частиц, ис­ парение и др.); хмчси: (окисление веществ кислородом и пе­ рекисью водорода, гидролиз токсикантов, переход в гидранты, коагуляция и осаждение и др.); бооиеке(включение загряз­ няющих веществ в обменные процессы, разрушение и перевод за­ грязняющих веществ в не токсические формы соединений и др.). В самоочищении водоемов принимают участие практически все гидробионты, но главную роль играют бактерии и организмыфильтраторы планктона и бентоса.

Рис. 1. Схема моделирования питания гетеротрофных организмов Рассмотрим одно из возможных представлений схемы пита­ ния зоопланктона в соответствии с рис. 1.

Введем значения констант в предложенные зависимости для их использования при расчетах. Функция фильтрации воды зоо­ планктоном: az и Ъ эмпирические параметры. Значение парамет­ ра Ъпринять равным 0,1; параметр а - максимально возможная скорость фильтрации воды зоопланктоном в оптимальных услови­ ях питания (отсутствие голодания, или засорения фильтрационно­ го аппарата при избытке пищи) является функцией индивидуаль­ ного веса организмов. Оптимальная температура fpt, принимается равной 20°С. Параметры функции фильтрации воды: для весны (апрель-май) cF = 1, с- 1, сд= 1. Для других сезонов: cF = 1, cB=l, cD =0,5. Критические концентрации пищи принять: 5о=0, 5г=1,0, Sc = мг сыр.в./л; а =0,25 л/мг сыр.веса сут. Усвояемость пищи зоо­ планктоном: uF= 0,6; и = 0,8; uD = 0,4.

Согласно выводам Н.С.Строганова (1982), некоторые иссле­ дователи ошибочно причисляют к процессам самоочищения водо­ емов разбавление сточных вод, при котором происходит лишь уменьшение концентрации ЗВ в воде.

Н.Ф. Реймерс (1990) под с м о и е и мпонимает естествен­ ное разрушение загрязнителя в среде (воде, почве и др.) в резуль­ тате природных физических, химических и биологических процес­ сов. Под с м о и е и мвдпонимается совокупность всех при­ родных процессов в загрязненных водах, ведущих к восстановле­ нию первоначальных свойств и состава воды.

Рассмотрим способ оценки самоочищения водной экосистемы по времени осветления воды зоопланктерами-фильтраторами. Для этого на первом этапе необходимо выполнитьрасчет скорости фильтрации воды зоопланктоном () в оптимальныхусловиях пи­ тания по формуле:

В (1): /-температура воды, fp - оптимальная температура. Ре­ альные условия питания часто отличаются от оптимальных, по­ этому необходимо учитывать снижение скорости фильтрации во­ ды зоопланктоном, связанное с голоданием (мало корма) или засо­ рением фильтрационного аппарата (много корма). В связи с этим расчет скорости фильтрации как функции температуры воды и концентрации пищи проводится в несколько этапов. На втором этапе рассчитывается суммарная пища зоопланктона (iS):

где S - суммарная пища, cF, в - коэффициенты трофического взаимодействия зоопланктона с компонентами пищи; F,B,D - био­ массы фито-, бакгериопланктона и концентрация детрита в воде.

На третьем этапе рассчитывается fz как функция температуры во­ ды и суммарной пищи по способу расчета (3):

Здесь: a=l/Sc b=l/[(Sr-S0 *(2-(S-S Смысл функции (3) состоит в возможности расчета скорости фильтрации воды зоопланктоном в зависимости от температуры и наличия в воде суммарной пищи S. Эти возможности и вид функ­ ций иллюстрируются на рис.2.

Затем рассчитывается произведение f2 на биомассу зоопланк­ тона Z. Это произведение называется фильтрационной активно­ стью {Ф ) зоопланктона. Время осветления воды зоопланкто­ ном (7) есть величина обратная Ф. В зависимости от трофности водоема оцениваемые параметры могут иметь разные значения (см. табл. 6).

Рис. 2. Зависимость f z от концентрации корма S в воде.

Например, в Волгоградском водохранилище за год двуствор­ чатые моллюски изымают из воды до 44 млн.т взвешенных ве­ ществ. Из этого количества около 42 млн.т транспортируется на грунт в виде псевдофекалий и 2 млн. т усваивается в процессе пи­ тания. Псевдофекалии образуют отфильтрованный, непригодный в пищевом отношении материал, который гидробионты не заглаты­ вают, а в склеенном виде выбрасывают из полости тела.

В озм ож ны е п редел ы и зм ен ени я скорости ф и л ь т р ац и и воды зо о п ланктон ом и биом асса зо о п л ан к то н а в водоем ах разн ой би ологической п р о дуктивности (л/мг сыр.веса сут.) (мг сыр.веса/л) Задания по работе:

1. По данным табл.7 выполнить расчет составляющих баланса питания зоопланктона {GF ; G B ; G D ; A z ; 020309 от 30.12.96.

Подписано в печать 8.10.10. Формат 60x90 Vie. Гарнитура Times New Roman.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл.-печ. л. 2,43. Тираж 200 экз. Заказ № 49/10.

РГГМУ, 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98.

ЗАО «НПП «Система», 197045, Санкт-Петербург, Ушаковская наб., 17/1.