- •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
2.2.11. Заключительный синтез
Хотя изучение любой экосистемы может продолжаться практически бесконечно, раскрывая все новые и новые грани этого сложнейшего объекта исследования, каждый реальный исследовательский проект рано или поздно (в большинстве случаев позднее, чем планировалось в начале) приходит к завершающему этапу. В итоге проделанной работы окончательно оцениваются полученные результаты — прежде всего, построенная имитационная модель — и намечаются перспективы для будущих исследований. Традиционно все эти материалы излагаются в заключительном сборнике или монографии, где представляются результаты наблюдений и экспериментов, дается описание построенной модели, характеризуются ее возможности, достоинства, недостатки и приводятся примеры использования в целях прогнозирования и оптимизации. Показательным примером итоговой публикации такого рода является работа «Имитационная модель злаковой экосистемы» (Innis, 1978), в которой обобщены результаты американского проекта изучения и моделирования злаковых степеней, осуществленного в рамках Международной биологической программы.
Таким образом, современная системная экология выступает естественнонаучной основой разработки и осуществления комплексных много дисциплинарных проектов изучения экосистем как целостных динамических объектов, включающих живые и неживые компоненты. Именно проблемы экосистемного уровня составляют специфику экологии. Однако, как указывалось выше, при изложении принципов системного подхода для раскрытия функционирования и целостных свойств экосистем необходимо, во-первых, включить в их рассмотрение связи с внешним миром (с соседними экосистемами, атмосферой, гидрологическими и геологическими факторами) и, во-вторых, изучить ее внутренний состав и структуру.
Остановимся подробнее на некоторых аспектах моделирования экосистем в гидроэкологии.
Моделирование водных экосистем
Основной задачей математического моделирования водных экосистем является количественное описание внутренних связей и процессов, обусловливающих развитие этих сложных природных комплексов. Экосистемное моделирование используется для изучения биохимических, энергетических потоков в экосистеме, биологической продуктивности водных объектов, динамики популяций, межвидового взаимодействия, динамики экосистемных процессов под влиянием естественных и антропогенных воздействий.
Моделирование экосистем – это пример использования имитационных моделей в экологии. Имитационное моделирование — метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Имитационные математические модели в гидроэкологии описывают гидробиологические и прочие процессы, происходящие в водных объектах, и устанавливают зависимости между показателями состояния водных экосистем и характеристиками внешнего воздействия на них при различных гипотезах о характере загрязнения.
Экосистемные модели должны учитывать большое количество разнообразных компонентов. Модельный биоценоз должен быть представлен основными, дифференцированными по экологическим признакам, компонентами природных сообществ. На моделях должны воспроизводиться круговороты основных химических элементов. Модели должны учитывать возможные антропогенные поступления веществ. В состав компонентов моделей необходимо включить основные виды загрязняющих веществ. Модели должны учитывать последние достижения эколого-токсикологического скрининга экосистем, эффекты синергизма, антагонизма, суммации. При моделировании должны учитываться также: физико-динамические процессы, обуславливающие перенос компонентов в пространстве; обмен веществом и энергией через границы экосистемы. При параметризации интенсивностей обменных процессов должны использоваться многофакторные зависимости. На моделях воспроизводятся сценарии различных экологических ситуаций и количественно оцениваются последствия антропогенных воздействий на экосистемы (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 252).
Помимо того, что все эти факторы трудно учесть, необходимо помнить еще и о принципе несовместимости (см. п. 3.1): усложнение модели часто ведет к потере ее адекватности, и зачастую простая модель гораздо лучше моделирует исследуемый процесс или характеристику, чем сложная, многокомпонентная, но создание которой, безусловно, ушло больше времени. Все факторы учесть при моделировании невозможно, и модель всегда отражает лишь одну сторону исследуемого объекта - согласно целям моделирования.
Любая экологическая система включает в себя большое количество биотических и абиотических составляющих, но их роль в жизни экосистемы неодинакова. Поскольку любая модель призвана отражать лишь основные особенности развития природы, поэтому из всего многообразия внутрисистемных связей при моделировании, как правило, учитываются, лишь главные связи между компонентами (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 254).
Состав компонентов модели, в конечном счете, определяется характером решаемой задачи и массивом натурных данных. При этом часто приходится вводить в модель обобщенные (агрегированные) компоненты. Для биоценоза агрегирование может проводиться в соответствии с таксономической структурой сообщества, экологическими или физиологическими особенностями видов. Наиболее крупными агрегированными единицами являются фитопланктонное, зоопланктонное и бактерио-планктонное сообщества в целом, без детализации их таксономической и эколого-физиологической структур. Другим примером агрегирования компонентов, относящихся к биотопу, служит детрит, по определению состоящий из отмерших и находящихся на различной стадии разложения клеток, а также продуктов метаболизма живых организмов (Гальцова В.В., Дмитриев В.В. Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем. – СПб., 2007, с. 254).
Очевидно, что водная экосистема - многокомпонентная система со сложными связями и механизмами взаимодействия. Можно выделить несколько типов водных экосистем, самым простым и одновременно принципиальным является деление их на экосистемы текучих водных объектов (реки, ручьи, протоки, "движущаяся" вода) и стоячих водоемов (озера, пруды, карьеры). Водотоки представляют собой более открытые и подвижные экосистемы, замкнутые водоемы - относительно замкнутые экосистемы. Это дает принципиальную разницу при моделировании экосистем разных типов водных объектов: если в замкнутых стоячих водоемах движением и перемешиванием воды можно в значительной степени пренебречь, то при моделировании водотоков переносом водных масс пренебречь невозможно.
Абиотические компоненты моделей водных экосистем
Рассмотрим в общем группы абиотических факторов, которые оказывают значительное влияние на функционирование водных экосистем и которые необходимо учитывать при создании моделей.
1. Морфометрические характеристики: глубина водного объекта, ширина, длина, площадь, крутизна уклона дна, изрезанность береговой линии, наличие мелководных участков, количество водотоков, форма долины и русла реки, формы рельефа, извилистость, разветвленность.
2. Геологические характеристики: состав слагающих дно и берег водного объекта горных пород и почв, механические характеристики.
3. Геоботанические характеристики: растительность на берегу.
4. Метеорологические характеристики: атмосферные осадки (вид, интенсивность, количество), скорость и направление ветра, характер волнения, наличие облачности и ее степень, преобладающие типы облаков, температура и влажность воздуха, режим освещения.
5. Гидрологический режим реки: скорость течения реки, расход, уровень воды в реке в разные периоды года, характерные особенности изменения состояния реки во времени.
6. Гидродинамические характеристики: характеристики процессов переноса водных масс, растворенных веществ и биоты, структура потоков и распределения веществ.
7. Гидрохимические свойства воды: состав органических и неорганических элементов и взвешенных частиц, растворенный кислород, водородный показатель.
Наибольший интерес представляют биогенные элементы, в частности углерод, азот, фосфор и кислород. Помимо указанных элементов в ряде случаев может возникнуть необходимость учета серы, кремния, железа, магния, кальция и др.
8. Прочие физические свойства волы: цветность воды, прозрачность и мутность, запах, привкус, пенистость.
В экосистемном моделировании используются модели смежных гидрологических дисциплин: гидродинамики, гидрометеорологии, гидрохимии. Экосистемные модели строятся на уравнениях гидродинамики жидкости. Эти уравнения описывают процессы переноса воды, биоты и растворенных веществ в водоемах, структуру потоков и распределения веществ, условия перемешивания водных масс и их переноса внутри водоемов. Процессы трансформации химических элементов в водных объектах описываются уравнения гидрохимии.
Таким образом, гидроэкологическая модель не является полностью самостоятельной. Гидроэкологические исследования базируются на фундаменте знаний и достижений смежных научных дисциплин. Процессы, изучаемые этими отдельными дисциплинами. определяют условия обитания гидробионтов, регулируют основные процессы функционирования экосистемы. Экологические исследования - комплексные, межотраслевые, целиком построенные на принципах системности.
В последующих разделах пособия будут подробно рассмотрены некоторые примеры моделирования для решения задач гидроэкологии – принципы моделирования качества воды на основе схематизации процесса конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ, даны, примеры моделей для р. Нева, Невской губы, экосистемы прибрежных зон Финского залива, примеры задач на расчет переноса и распространения примесей, солей и температуры (тепломассоперенос) в водных объектах.
В заключение раздела приведем краткий обзор принципиально другого типа моделей, также используемых для решения задач гидроэкологии – эколого-экономические оптимизационные модели.