2. Системный подход к гидроло-экологическим расчетам

2.1. Общие положения

Признание экосистемы специфическим предметом экологии с необходимостью приводит к тому, что методологической основой этой науки становится системный подход как особое направление: исследования, ориентированное на изучение специфических характеристик сложноорганизованных объектов, многообразие связей между элементами, их разнокачественность и соподчинение.

Применительно к наукам гидрологического цикла системный подход наиболее наглядно иллюстрируется в водной экологии (или гидроэкологии). Для начала изложим некоторые основные положения водной экологии.

Общие положения, задачи гидроэкологии

Водная экология (гидроэкология) – современное направление экологической науки, возникшее совсем недавно и находящееся еще в стадии становления. Появление его связано с повсеместной экологизацией науки – процессом, получившим широкое распространение с 70-х гг. ХХ в., когда мировое общество стало уделять повышенное внимание проблемам загрязнения окружающей среды и истощения природных ресурсов. С этого времени экологическое мышление стало активно проникать во все сферы знания и деятельности человека, началась фаза активного развития практической экологии.

Появление гидроэкологии связано с необходимостью поиска решения проблемам рационального водопользования и охраны водных ресурсов. Как раздел общей экологии гидроэкология изучает взаимодействие биотических компонентов экосистемы между собой и с абиотическими компонентами. Для водной экологии область исследований ограничивается гидросферой.

Основным объектом исследования гидроэкологии являются водные экосистемы.

Гидроэкологию можно рассматривать как науку, которая изучает:

1) общие законы функционирования гидроэкосистем различного порядка (раздел гидрологии);

2) живые системы в их взаимодействии с водной средой (одно из направлений биологических науки);

3) комплексная наука, синтезирующая данные естественных и общественных наук о природе и взаимодействии общества и природы (географическая экология);

4) особые экологические подходы к исследованию проблем взаимодействия организмов, биосистем и преимущественно водной среды (методология и методика исследований);

5) совокупность научных и практических проблем взаимоотношений человека и водных объектов (экологические проблемы). (Е.В. Логинова, П.С. Лопух. Гидроэкология: курс лекций – Минск: БГУ, 2011).

Область исследований гидроэкологии толкуется очень широко, решением ее задач занимаются специалисты различных областей - гидрологи, гидрогеологи, гидробиологи, гидрохимики. Гидроэкологию можно характеризовать как результат интеграции различных областей знания. Многие научные исследования в настоящее время проводятся на стыке наук.

Место гидроэкологии в системе наук

Как уже было сказано выше, гидроэкология (или водная экология, что по сути можно рассматривать как синонимы) - это молодое направление экологической науки, обоснованность выделения которого еще оспаривается. Гидроэкологии, являющейся продуктом интеграции многих областей знаний, сложно однозначно определить свое место в системе наук.

Одной из особенностей современной науки является одновременное развитие двух противоположных процессов - интеграции и дифференциации науки. С одной стороны, расширение научного поиска и появление большого количества новых задач ведет к развитию и ответвлению узких направлений исследования, с другой стороны, для решения задач, которые ставятся сейчас перед наукой, необходимо объединение знаний из различных областей. Гидроэкология является характерным примером результата развития этих процессов.

Гидроэкологию правомерно рассматривать как раздел общей экологии. Водная экология занимается вопросами экологии, рассматривает взаимодействие живых организмов между собой и с окружающей природной средой в рамках одной из природных сред - гидросферы. Гидроэкология также может рассматриваться как часть общей гидрологии - науки, занимающей изучением природных вод, явлений и процессов, в них протекающих. Гидрохимия, гидравлика, гидрогеология, гидробиология - другие направления общей гидрологии, с которыми водная экология также тесно связана.

Отдельно стоит остановиться на связи между гидроэкологией и гидробиологией. Существуют разные определения гидробиологии, но все они сходятся в том, что эту науку следует рассматривать как область экологии.

Гидробиология - наука биологического цикла, изучающая живую природу водоемов и развивающаяся на экологической основе (Кожова, 1987).

Гидробиология - составная часть экологии, и как наука экологическая изучает население водных объектов, взаимодействие обитателей вод - гидробионтов, их популяций и сообществ (биоценозов) друг с другом и с неживой природой (Дмитриев В.В., 2007).

Из приведенных выше определений следует закономерный вопрос - в чем отличие тогда гидроэкологии и гидробиологии?

В уже приводившемся выше в качестве ссылок учебном пособии Гальцовой В.В. и Дмитриева В.В "Практикум по водной экологии и мониторингу состояния водных экосистем" приводятся некоторые положения относительно гидробиологии:

"Особенно интенсивно в современной гидробиологии изучаются экосистемы - элементарные единицы биосферы, представляющие собой единства биоценозов со средой".

"В экологическом аспекте гидробиология изучает тот участок биосферы, который лежит в пределах гидросферы и может быть назван гидробиосферой".

"Как теоретическая наука гидробиология изучает вопросы адаптации (приспособления) водных организмов и их группировок к жизни в условиях определенных водоемов, при более или менее значительных колебаниях таких параметров как соленость, температура. прозрачность воды, на тех или иных грунтах, при различных периодических колебаниях факторов среды (суточных, сезонных, вековых). Гидробиология, кроме того, решает некоторые проблемы, связанные с биологической продуктивностью водоемов, изучает процессы накопления водными организмами загрязняющих веществ, поступающих в водоемы различными путями".

"Таким образом, основная задача гидробиологии состоит в изучении экологических процессов в гидросфере в интересах ее освоения, а также в нахождении тех форм отношения человека к водным экосистемам, при которых польза от экосистем была бы наибольшей, а вред, наносимый им - наименьшим".

Налицо очевидно совпадение предмета и задач исследования гидробиологии и гидроэкологии. При этом следует заметить, что гидробиология - это еще и "водная биология", кроме экологических вопросов взаимодействия биотических и абиотических фактором в гидросфере, она включает в себя еще и таксономию, морфологию, физиологию и т.д. Если задачи гидроэкологии могут решаться в рамках другого направления науки - гидробиологии, нужно ли выделять отделить гидроэкологию или водную экологию?

В том же учебном пособии Дмитриева и Гальцевой во введении по этому поводу говорится следующее:

"На наш взгляд, биологическими аспектам существования "населения" водных экосистем ... полноценно можно заниматься в рамках гидробиологии. Мониторинговые наблюдения за компонентами экосистемы позволяют получить информацию о массах или концентрациях компонентов в определенные моменты времени. Эти показатели отражают результат жизнедеятельности экосистемы и лишь частично характеризуют протекающие в ней процессы, поскольку изменение биомасс и концентраций является видимым проявлением сложных процессов обмена веществом и энергией между компонентами системы. В связи с этим, водная экология выделилась из гидробиологии и как формализованный целостный подход и стала самостоятельным разделом общей экологии в результате развития гидробиологии, современных математических методов, информатики, обработки данных на ПК и т.д., а также формального упрощения и моделирования водных экосистем. Ей чаще отводится изучение отношений в системе "водный объект - организмы гидробионты". Гидроэкология разрабатывает методологию, изучает возможность и практические пути минимизации негативного влияния гидрологического режима и состояния водных объектов на общество, а также на безопасность жизнедеятельности населения, социальных и производственных объектов в зонах существующей или потенциальной угрозы затопления, подтопления территорий, разрушения сооружений, ухудшения качества воды. Ей же, по мнению некоторых ученых, отводится исследование экологической безопасности водных бассейнов и минимизация в них экологических рисков".

Таким образом, гидроэкологию представляют как отделившуюся часть гидробиологии, что логично (если общая экология выделилась из биологии, то гидроэкология - из гидробиологии). Разделение гидробиологии и гидроэкологии в приведенном выше положении весьма размыто. Гидробиология изучает поведение гидробионтов в водной среде, их взаимодействие с абиотическими компонентами, для гидроэкологии важно как эти факторы влияют на общее состояние водоема, процессы очищения и деградации водной среды. У этих направлений разные задачи, однако очевидно, что задачи гидроэкологии во многом решаются в рамках гидробиологических исследований. В том понимании этих дисциплин, которое существует сейчас, область и методология их научного поиска сильно пересекается, и для определения гидроэкологии как отдельно научного направления необходимо более четкое разграничение ее с гидробиологией.

Задачи водной экологии широки, для их решения необходимы знания, приемы и методы, используемые в различных направлениях естественной науки, связанных с изучением функционирования водных экосистем. Например:

Гидрохимия - наука, изучающая состав природных вод и закономерности его изменения под влиянием физического, химического и биологического воздействий.

Гидрофизика - раздел геофизики, изучающий физические процессы, протекающие в водной оболочке Земли.

Гидравлика - наука о законах движения и равновесии жидкостей и способах приложения этих законов к решению задач инженерной практики.

Гидрогеология - наука о подземных водах, изучающая их состав и свойства, происхождение, закономерности распространения и движения, а также взаимодействие с горными породами.

Гидроэкология имеет широкую область исследования, изучает влияние состояния водных экосистем на общество, экономику, население, здания и сооружения, поэтому решение ее прикладных задач невозможно без применения знаний из таких сфер, как менеджмент, экономика, право, проектирование и строительство, территориальное планирование и пр. Задачи водной экологии связаны с вопросами управления водными ресурсами, оптимизации и развития устойчивого водопользования. Водная экология - интегрирующее научное направление, особенно на его прикладном уровне, в этом сложность его определения и выделения.

Изложение рассуждений о месте экологии в системе наук отнюдь не излишне и не случайно. Отношение ее к смежным науках найдет отражение в последующих главах, где будут рассматриваться положения системного подхода в гидроэкологических исследованиях и вопросы моделирования в гидроэклогии.

Специфика системного исследования определяется не усложнением методов анализа, а выдвижением новых принципов подхода к объекту изучения. В самом общем виде этот новый подход выражается в стремлении построить целостную картину объекта.

Формированию на естественнонаучной базе системного подхода, получившего различные конкретные воплощения в работах В. П. Вернадского, Л. Берталанфи, У. Росс Эшби, Н. Л. Бернштейна и др., в немалой степени способствовало проникновение в биологию идей кибернетики. Однако статус особой и внутренне единой исследовательской позиции системный подход завоевывает только во второй половине ХХ столетия, что объясняется, прежде всего, развитием вычислительной техники, обеспечившей возможность осуществления комплексных системных исследований в экологии. Любопытно, что многие важные положения системного подхода можно найти в произведениях ряда философов я естествоиспытателей уже в ХVIII и ХIХ вв. Полностью созвучными современным идеям системного подхода были, в частности, представления Юстуса Либиха, сформулированные им в 40-х гг. ХIХ в. Ю. Либих подчеркивал, что между всеми явлениями в минеральном, растительном и животном царствах, которые обусловливают существование жизни на поверхности земли, имеется закономерная связь, благодаря чему ни одно явление не существует само по себе, в отдельности, но всегда в связи с одним или несколькими другими явлениями, которые, в свою очередь, находятся в цепи еще других явлений, и т. д. «Все явления, — писал Ю. Либих, — связаны друг с другом без начала и конца; последовательная смена одних явлений другими, их возникновение и исчезновение подобны движению вол» в круговороте. Мы рас­сматриваем природу как одно целое, и все явления представляют­ся нам взаимно связанными, как узлы в сети. Исследовать явле­ния — это значит отыскивать те нити, посредством которых дан­ный узел в сети связан с двумя или тремя другими; если два яв­ления постоянно возникают вместе или постоянно следуют одно за другим, мы отыскиваем ту связь, которая их соединяет. Так как всякое явление природы сложно, то есть состоит из частей, то первая и важнейшая задача естествоиспытателя заключается в том, чтобы распознать эти части и определить их природу и свойства (то есть их качества) и установить соотношения, суще­ствующие между ними» (Либих, 1936, с. 72).

Изложению общих положений системного подхода посвящены многие труды (Эшби, 1959; Берталанфи, 1969; Ляпунов, 1970; Форрестер, 1971; и др.). В ряде работ рассматривались пробле­мы системного подхода при изучении экосистем (Watt (ed.), 1966; Ляпунов, 1968, 1971; Куркин, 1970; Меншуткин, 1971; Patten (ed.), 1971, 1973, 1975, 1976; Dа1е, 1970; Smith, 1970; Гильманов, 1978а).

В данном разделе приведено только на некоторые фундаментальные понятия системного подхода. Это необходимо чтобы иметь возможность познакомиться со знаковой символикой, позволяющей формализовать по­нятия системы, образующих ее элементов и внешней (по отноше­нию к ней) среды.