- •Реферат
- •Содержание
- •Предисловие
- •Введение. Предмет и задачи учебных дисциплин
- •1. Введение в информатику
- •1.1. Определение информации
- •1.2. Свойства информации
- •1.3. Информационные процессы
- •1.4. Процесс хранения информации
- •1.5. Процесс обработки информации
- •1.6. Процесс передачи информации
- •2. Системный подход к гидроло-экологическим расчетам
- •2.1. Общие положения
- •Общие положения, задачи гидроэкологии
- •Место гидроэкологии в системе наук
- •Основные положения системного подхода
- •Системный подход в гидроэкологических исследованиях
- •2.1.1. Полевые наблюдения
- •2.1.2. Эксперимент
- •2.1.3. Моделирование
- •Общие принципы моделирования
- •2.2. Общая схема системного подхода
- •2.2.1. Постановка задачи
- •2.2.2. Концептуализация
- •2.2.3. Спецификация
- •2.2.4. Наблюдения
- •2.2.5. Идентификация
- •2.2.6. Эксперименты
- •2.2.7. Реализация модели
- •2.2.8. Проверка модели
- •2.2.9. Исследование модели
- •2.2.10. Оптимизация
- •2.2.11. Заключительный синтез
- •Моделирование водных экосистем
- •Оптимизационные модели в гидроэкологии
- •3. Основы алгоритмизации (для лабораторных работ по гидрологии)
- •3.1. Введение
- •3.2. Алгоритмические действия
- •3.3. Определение алгоритма и основные требования
- •3.4. Приведение к процедурному представлению
- •3.5. Типовые процедуры
- •4. Представление программных документов
- •4.1. Положение о фонде алгоритмов и программ
- •1. Oбщиe положения
- •2. Состав материалов на програмные средства, представляемых в фап ипс ран
- •4. Доступ к материалам фонда и их использование
- •5. Состав, содержание и порядок оформления материалов пpoгpaмныx средств
- •4.2. Отраслевой фонд алгоритмов и программ (офап)
- •4.3. Правила оформления программных документов
- •4.3.1. Текст программы. Требования к содёржанию и оформлению
- •1. Общие требования
- •2. Титульная часть
- •4. Основная часть
- •4.4. Виды программ и программных документов
- •1. Виды программ
- •2. Виды программмых доkуmehtоb
- •4.5. Описание программы
- •4.6. Описание применения
- •5. Математические модели качества воды
- •5.1. Принципы математического моделирования качества воды водотоков
- •5.2. Расчеты процессов конвективно-диффузионного переноса (кдп)
- •5.2.1. Построение математической модели качества воды на основе схематизации процесса кдп и пв
- •5.2.1.1. Сущность метода кдп и пв
- •I рода II рода III рода
- •5.2.1.2. Схематическое описание процессов кдп и пв
- •5.2.1.3. Определение краевых условия для моделирования
- •5.2.2. Методы решения типовых задач кдп и пв
- •5.2.2.1. Методы, использующие разложение в ряд Тейлора [8, 9, 10]
- •5.2.2.2. Метод Эйлера [10, 11]
- •5.2.2.3. Методы Рунге-Кутта [10,11, 13, 14]
- •5.2.2.4. Применение метода конечных разностей для решения уравнений кдп и пв
- •5.2.2.5. Применение метода сеток для решения уравнений кдп и пв
- •5.2.2.6. Методы непосредственного моделирования
- •5.2.2.7. Применение метода схемотехнического моделирования
- •5.3. Имитационное моделирование задач формирования качества воды при различных видах техногенной нагрузки
- •Принципы моделирования
- •5.4. Пример постановки задачи формирования качества воды (модели распространения загрязнений в основном русле р. Невы)
- •5.4.1. Гидрологическая оценка объекта исследования (реки Нева)
- •5.4.1.1. Общая характеристика гидросистемы
- •5.4.1.2. Сток воды р. Невы и его распределение по рукавам дельты (гидравлическая схема расчета)
- •5.4.1.3. Расчетные формулы
- •5.4.1.5. Расчет поперечной диффузии
- •5.4.1.6. Расчет параметров створа
- •5.4.1.7. Конфигурация рассеивающего источника задаётся следующим способом
- •5.5. Оценка параметров для моделей прогнозирования качества воды в исследуемой системе
- •5.6. Результаты моделирования бассейна р. Невы с использованием пакета «Гидроэкопрогноз 2.97.001»
- •5.6.1. Расчетный участок
- •5.6.2. Параметры расчётной модели
- •5.6.3. Основные результаты и выводы по расчетам
- •5.7. Невская Губа
- •5.7.1. Краткая характеристика Невской губы
- •5.7.2. Моделирование прибрежных зон Финского залива (Краткое описание модели экосистемы Финского залива) [26]
- •5.7.3. Список литературы
- •6. Гидрологические расчеты распространения примесей
- •6.1. Постановка задачи
- •6.2. Выбор схемы решения задачи массопереноса в воде
- •6.3. Литература
- •7. Методические указания к практикуму «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах»
- •7.1. Общие положения
- •7.2. Условия однозначности
- •7.3. Методы решения задач
- •7.4. Практикум «Расчеты тепломассопереноса в реках и водоемах»
- •7.4.1. Задача 1. Расчёт вертикального распределения температуры воды в водоёме при открытой водной поверхности (без учёта факторов гидродинамики)
- •7.4.1.1. Постановка задачи
- •7.4.1.2. Пример решения
- •7.4.2. Задача 2. Расчёт теплообмена в ложе водоёма
- •7.4.2.1. Постановка задачи
- •7.4.2.2. Пример решения
- •7.4.3. Задача 3. Расчёт среднедневного и среднедекадного значения коэффициента теплопроводности для слоя снега при постоянной его плотности
- •7.4.3.1. Постановка задачи
- •7.4.3.2. Пример решения
- •7.4.4. Задача 4. Расчёт разбавления сточных вод в реках по методу а.В. Караушева (плоская задача)
- •7.4.4.1. Постановка задачи
- •7.4.4.2. Пример решения
- •7.4.5. Задача 5. Расчёт теплопереноса в водотоке
- •7.4.5.1. Постановка задачи
- •7.4.5.2. Пример решения
- •Литература
- •8. Приложения Министерство образования Российской Федерации
- •Программа учебной дисциплины «применение методов информатики в гидрологии»
- •012700 – Гидрология суши
- •Пояснительная записка
- •I организационно-методические указания
- •II объем и распределение часов курса по видам занятий. Формы контроля Продолжительность изучения 1 семестр Общая трудоёмкость дисциплины 109 часов
- •III содержание курса
- •Раздел 1. Введение (2л)
- •Раздел 2. Персональный компьютер. (4л 4с)
- •Раздел 3. Операционные системы. (4л 6с)
- •Раздел 4. Графические пользовательские оболочки операционной системы мс-дос (6л 6с)
- •Раздел 5. Операционная система windows. (6л 8с)
- •Раздел 6. Проводник. (2л 2с)
- •Раздел 7. Текстовые редакторы. (6л 8с)
- •Раздел 8. Библиотечные процессоры. (8л 8с)
- •Раздел 9. Общие сведения о программировании на языках высокого уровня. (4л 2с)
- •Раздел 10. Работа с кампилятором turbo-pascal. (10л 10с)
- •Раздел 11. Основы информационной безопасности (4л 2с)
- •Самостоятельная работа
- •IV. Литература Основная
- •Министерство образования Российской Федерации
- •Программа учебной дисциплины «применение эвм в гидрологии»
- •012700 – Гидрология суши
- •Пояснительная записка
- •I организационно-методические указания
- •II объем и распределение часов курса по видам занятий. Формы контроля Продолжительность изучения 1 семестр Общая трудоёмкость дисциплины 137 часов
- •III содержание курса
- •Раздел 1. Введение (2л)
- •Раздел 2. Правила оформления программных документов. (4л 4с)
- •Раздел 3. Требования к организации информации при использовании эвм. (6л 6с)
- •Раздел 4. Этапы системного анализа и их взаимосвязь. (4л 6с)
- •Раздел 5. Моделирование и математические модели. (6л 8с)
- •Раздел 6. Организация вычислительного процесса. (6л 8с)
- •Самостоятельная работа
- •IV. Литература
- •Вопросы по информатике
2.1.2. Эксперимент
Наряду с наблюдением широкое применение в экологии, как и в других естественных науках, имеет экспериментальный метод. Принципиальное отличие эксперимента от пассивного наблюдения заключается в том, что задача наблюдателя — получение сведений о поведении экосистемы в ненарушенных естественных условиях (точнее, при минимально возможных возмущениях, вызываемых процессом наблюдения), тогда как в эксперименте исследователь следит за экосистемой, в которой им сознательно произведены определенные (быть может, и достаточно сильные) изменения. Поэтому, когда эколог с помощью сложной аппаратуры следит за перемещением стада оленей, некоторые из которых снабжены миниатюрными радиопередатчиками, то при этом он занимается наблюдениями, а не экспериментами. Напротив, регистрация динамики численности того же стада пусть даже самыми приближенными методами, без всякой аппаратуры, но после предварительной элиминации из экосистемы хищников, например волков, либо после введения искусственной подкормки в суровых зимних условиях, будет настоящим экологическим экспериментом.
Многообразие экспериментов в экологии столь же необозримо, как необозримо число возможных воздействий экспериментатора на экосистему. Поэтому весьма полезным оказывается выделение различных категорий экологических экспериментов в зависимости от степени контроля человека над изучаемой экосистемой и числа сознательно варьируемых факторов.
Прежде всего, целесообразно различать эксперименты" по достигнутому в них уровню контроля над объектом изучения. На одном конце спектра располагаются практически неконтролируемые эксперименты, когда, произведя в начале опыта некоторое воздействие на экосистему, экспериментатор впоследствии только следит за ее динамикой, которая развертывается на фоне всевозможных, часто непредвиденных и нежелательных, с точки зрения экспериментатора, внешних воздействий, например погодных. На противоположном конце спектра группируются эксперименты, в которых исследователь имеет полную возможность контролировать все интересующие его экологические факторы в течение всего времени опыта. Промежуточное положение занимают эксперименты, в которых могут контролироваться лишь некоторые факторы.
Вспоминая широко распространенное деление экспериментов на полевые и лабораторные, можно заметить, что полевые эксперименты в большинстве случаев относятся к неконтролируемым, так как возможности исследователя контролировать экологические факторы в природных условиях очень и очень ограничены. В лабораторных экспериментах можно обеспечить контроль большего числа факторов и, тем не менее, большинство лабораторных опытов также относится к категории частично контролируемых. Сколько-нибудь полный охват всех существенных факторов достигается только на сложных и дорогостоящих экспериментальных установках, наподобие фитотронов, акватронов и других управляемых лабораторных «микрокосмов».
Классической схемой проведения естественнонаучных экспериментов со времени Ф. Бэкона считается так называемый однофакторный эксперимент, когда изучается влияние одного избранного фактора при фиксированных значениях всех остальных. Но если в науках о неживой природе (и прежде всего в физике) однофакторные эксперименты оказались весьма плодотворными и принесли немало выдающихся открытий, то в экспериментах с биологическими объектами, поведение которых существенно зависит от целого комплекса факторов, как, например, природные или сельскохозяйственные экосистемы, этот подход оказался менее эффективным. Для решения многофакторных задач, связанных с получением высоких урожаев, в 30-х гг. нашего столетия Ренальдом Фишером были разработаны основы метода многофакторных экспериментов, состоящего в том, что в каждом варианте из серий опытов экспериментатор изменяет не один, а сразу несколько факторов, значения которых комбинируются определенным способом, в результате чего при последующей математической обработке оказывается возможным получить искомое многофакторное описание изучаемого процесса или явления. Эффективность применения метода планирования многофакторных экспериментов в экологических исследованиях убедительно показана в работах отечественных авторов (Федоров, 1967; Максимов, Федоров, 1967, 1969), которые предложили использовать планы факторного эксперимента при исследовании связи первичной продукции с уровнями факторов, действующих в водоемах. Предложенный метод планируемых добавок, представляющий собой комбинацию обычного метода подкормок Шрайбера, например биогенных элементов на активность фитопланктона, и планов факторного эксперимента, позволил получать информацию (качественную и количественную) о характере взаимодействий факторов системы. В этом случае факторы, включенные в план эксперимента, меняются одновременно и независимо друг от друга, по определенным планам, и по результатам их влияния на величину первичной продукции рассчитываются соответствующие значения bi как при линейных членах (bi), так и при их взаимодействиях (bij). В уравнении модели вида
(IV.6)
где xi,- — переменные (факторы), а bi,- — коэффициент регрессии при соответствующих переменных, значения которых определяют величину отклика в изучаемой области. Таким образом, уравнение (IV.6) связывает величину первичной продукции (y) с уровнями (концентрациями) факторов, действующих в системе.
Проведенные В. Д. Федоровым и его сотрудниками исследования у Карельского побережья Белого моря позволили исследовать зависимость первичной продукции от освещенности, концентрации ряда биогенных элементов и состава фитопланктона в водоеме. Полученные количественные оценки при обнаруженных взаимодействиях факторов позволили достаточно подробно исследовать связь первичной продукции и концентрации в мирской воде нитратного и аммиачного азота, фосфора, железа и кремния (Федоров, Белая, Максимов, 1970; Федоров, Семин, 1970).
Заметную роль в развитии экологии сыграли эксперименты по лабораторному культивированию отдельных популяций или целых микроэкосистем. Хотя первые исследования такого рода проводились еще в XIX в., как, например, известные работы Р. Уорингтона но сбалансированным аквариумам (Warington, 1851, 1857), широкое использование лабораторных микроэкосистем для решения сннэкологических (в отличие от экофизиологических и популяционно-биологических) задач началось лишь в 30-х гг. нашего века. Успешному развертыванию этих исследований, без сомнения способствовал опыт, накопленный в серии блестящих работ по лабораторному культивированию отдельных популяций, выполненных в 20-х гг. Р. Пирлом с сотрудниками (Pearl, Parker, 1922; Pearl, 1925, 1928), В. Олли (Allee, 1926, 1927), Р. Чепмэном (Chapman, 1928), И. И. Калабуховым (1929). Но если натканные исследователи в своих экспериментах работали с отдельными популяциями, определяли такие характеристики, как рождаемость, смертность, продолжительность жизни, форма кривой роста и т. п., в скнэкологическнх и «микрокосменных» экспериментах изучалось взаимодействие нескольких популяций и целостные свойства экосистемы.
В области лабораторных синэкологических экспериментов выдающееся значение имеют исследования, проводившиеся в начале 30-х гг. в нашей стране под руководством В. В. Алпатова (Алпатов, 1931, 1932, 1934; Алпатов и Гаузе, 1933)} и в особенности серия классических работ Г. Ф. Гаузе по экспериментальному изучению конкуренции и хищничества (Гаузе, 1933, 1934а, 19346, 1934в, 1945; Gause, 1932, 1934, 1935). Эти публикации оказали сильное стимулирующее влияние на развитие лабораторных экологических исследований, в результате чего были выполнены всесторонние исследования, представленные работами А. Кромби (Crombie, 1945, 1947), С. Ютида (Utida, 1957), К. Хаффэйкера (Huffaker, 1958), Т. Парка (Park, 1962) и других, что способствовало расширению наших представлений о межпопуляционных взаимодействиях.
В то же время многие ученые справедливо поднимали вопрос о том, в какой степени выводы, полученные при лабораторных экспериментах, применимы в полевых условиях к реальным экосистемам. Например, весьма осторожно оценивал значение лабораторных экологических экспериментов Д. Н. Кашкаров, который считал, что экспериментальный метод играет в арсенале экологии второстепенную роль (Кашкаров, 1938). Еще более радикально высказался на эту тему Дж. Хатчисон, сравнивший в шутку лабораторную экспериментальную установку с аналоговой вычислительной машиной, которая дает результат, заранее запрограммированный экспериментатором. Например, при изучении конкуренции двух видов возможно, изменяя условия опыта, добиться как сосуществования обоих видов, так и победы одного из них или, наконец, гибели обоих видов. Подобным же образом в экспериментах по хищничеству или паразитизму, манипулируя условиями культивирования (физические, химические факторы, наличие пли отсутствие убежища для жертвы и т. д.), можно воспроизвести случаи как устойчивого сосуществования в колебательном или стационарном режиме, так и полного выедания жертвы хищником или «ускользания» жертвы из-под контроля хищника.
Аргументам Дж. Хатчинсона трудно отказать в убедительности. В дополнение к ним можно привести ряд других доводов, выдвигавшихся различными учеными, которые указывали па необходимость осторожного подхода к оценке значения экспериментов над популяциями в лабораторных условиях для теории природных экосистем (см. Лэк, 1957, 155—156; Макфедьен, 1965, 246—251; Шовен, 1970; Уильямсон, 1975).
Принимая это во внимание, нетрудно понять, почему наряду с наблюдением ведущее значение в экологических исследованиях приобрели полевые эксперименты, несмотря на то что в них не может быть обеспечен столь же высокий уровень контроля экспериментатора над изучаемой системой, как в лабораторных условиях.
Многочисленные примеры успешного проведения полевых экспериментов при изучении отдельных экологических проблем, таких как влияние метеорологических и эдафических факторов, обеспеченности пищей, конкуренции, хищничества, паразитизма и т. д., известны в сельскохозяйственной науке, лесоведении, охотоведении, ихтиологии, паразитологии и других близких к экологии дисциплинах. Кроме этих тщательно планируемых специально проводившихся опытов немалый вклад в развитие экологической теории был внесен путем обработки и обобщения результатов многочисленных непреднамеренных (стихийных) «экспериментов» с экосистемами, которые были следствием естественных природных процессов или деятельности человека. Среди «экспериментов», поставленных самой природой, результаты которых удалось зарегистрировать, можно указать образование и заселение ряда островов, лавовых полей и других участков terra nullius, изменение гидрологического режима, наступление серии холодных или теплых годов, «удобрение» путем отложения вулканических, аллювиальных или эоловых осадков и т. п.
Первыми работами такого рода были комплексные исследования лесных экосистем (бтиогеоценозов) , развернувшиеся под руководством В. Н. Сукачева (1956, 1961, 1964), а также радиоэкологические исследования Н. В. Тимофеева-Ресовского (1957, 1961, 1964) и ряда американских ученых (Woodwell, 1962, 1963; Schultz, Klement (еd.) 1963; и др.). В последующие годы происходит широкое развертывание комплексных экспериментальных исследований наземных и водных экосистем в рамках Международной биологической программы (1964-1974) и других научных проектов(Нечаева, Приходько, 1966; Карпов, 1969, 1974; Молчанов, 1970, 1975; Тихомиров, 1971, 1974; Ellenberg (еd.), 1971; Van Dyne, 1972, 1978; Mariscal (еd.), 1974; Likens, Borman, 1975; Van Dупе, Anway, 1976).
В итоге, характеризуя значение экспериментального метода в экологии, необходимо признать, что его применение, особенно на основе достижений научно-технического прогресса, открывает перед экологией грандиозные перспективы. Однако экологический эксперимент, равно как и наблюдения над экосистемами, становится наиболее эффективным только в сочетании с третьим важнейшим методом экологии - методом моделирования.