- •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
Основные положения системного подхода
Системный подход – это направление в методологии познания объектов как систем.
Система есть множество связанных между собой компонентов той или иной природы, упорядоченное по отношениям, обладающим вполне определенными свойствами; это множество характеризуется единством, которое выражается в интегральных свойствах и функциях множества (определение акад. В.М. Глушкова, 1963).
С одной стороны система в науке рассматривается как единое целое, с другой – как совокупность элементов. Причем целое имеет новые, особые свойства, которые отсутствуют у его составляющих элементов (например, молекула обладает иными свойствами, чем составляющие ее атомы). Это свойство систем называется эмерджентностью (англ. «неожиданное появление»).
Основными характеристиками любой системы будут: а) границы, б) свойства элементов и системы в целом, в) структура, г) характер связей и взаимодействия между элементами системы, а также между системой и ее внешней средой.
Основными характеристиками систем являются следующие положения:
1. Любые системы состоят из исходных единиц (компоненты, элементы), которые в рамках данной системы и на данном уровне абстракции (конкретизации) представляются как неделимые, целостные, то есть исследователь абстрагируется от их внутреннего строения, но сохраняет сведения об их эмпирических свойствах.
2. Между элементами системы существуют системообразующие связи и отношения, благодаря которым реализуется специфическое для системы единство. Система обладает общими функциями, интегральными свойствами и характеристиками, которыми не обладают ни составляющие ее элементы, взятые по отдельности, ни простая «арифметическая сумма» этих элементов. Свойства системы неаддитивны по отношению к свойствам ее элементов и подсистем.
3. Существенными характеристиками систем являются присущие им организация и структура, с которыми тесно связано математическое описание систем. Свойство эмерджентности сложной системы – несводимость ее к составляющим ее компонентам.
4. Любая система существует лишь в определенных границах изменения ее свойств, поэтому обычно задаются максимальные и минимальные значения ее переменных, выделяются границы системы.
5. Относительность понятий «элемент» и «структура» системы: любая система может выступать подсистемой некой надсистемы, и, с другой стороны, каждый элемент системы при детальном анализе является сам системой. Принцип связан с принципом 1.
6. Сочетание в системе взаимосвязи ее подсистем по одним свойствам и отношениям и относительная независимость по другим свойствам и отношениям.
7. Сложная система – результат эволюции более простой системы. Система не может быть изучена, если не изучен ее генезис. (В.В. Дмитриев, курс лекций «Современные проблемы экологии и природопользования, 2011).
Системный подход не следует рассматривать как некую новую научную парадигму. Принципы системности использовались в естественнонаучных исследованиях и раньше, только не назывались таким образом. Это скорее подход, который является способом формализации и упорядочения этих принципов. Так или иначе на положениях данного подхода основана методология современных научных исследований, и в том числе гидроэкологических.
Описать систему можно следующим образом.
Если элементы, образующие некоторую систему γ, обозначить символами Х1, Х2, ..., Хn, где n — число элементов, то множество
χ = {Х1, Х2, ..., Хn}, состоящее из всех внутренних элементов, естественно назвать составом системы γ.
Элементы Х1, ..., Хn связаны между собой различными связями и отношениями, которые называются системообразующими, так как именно их наличие превращает набор элементов в целостную систему. Однако, кроме того, что эти элементы связаны между собой, они испытывают воздействие со стороны внешних относительно системы γ объектов, а также, возможно, сами влияют на последние. Особи популяции, например, взаимодействуют не только друг с другом, но и с особями других популяций (при хищничестве, конкуренции и т. д.), а также с метеорологическими, гидрологическими и другими внешними факторами. Это подсказывает необходимость ввести наряду с понятием состава системы понятие об окружающей ее внешней среде.
Рассуждая формально, каждая система γ воздействует сама и испытывает воздействие со стороны бесчисленного множества внешних по отношению к ней систем S1, S2,…, Sm, Sm+1 (рис. IV.1, А), однако, избрав определенную меру интенсивности воздействия, можно установить конечное число внешних систем S1,…, Sm, находящихся с данной системой γ во взаимодействии, с интенсивностью не менее некоторого заданного уровня (рис. IV.1, Б). Например, рассматривая трофические связи некоторой популяции, мы можем пренебречь связями с интенсивностью менее 1·10-4 гС/м2/год.
Множество, состоящее из внешних систем, находящихся в существенной (в указанном смысле) связи с данной системой γ , назовем ее непосредственной окружающей средой системы γ и обозначим V = {S1, S2,…,Sk}. (IV.2)
Рис. IV.1. Система γ 0 и окружающая ее среда V0.
А —внешняя среда системы γ 0, состоящая из неограниченного множества
других систем: S1, S2,…,S12,…
Б — непосредственная окружающая среда V0= { S1,…,S6} системы γ 0, состоящая из тех внешних по отношению к ней систем, с которыми она имеет связи (отношения) достаточной интенсивности (показаны сплошными стрелками, в отличие от несущественных связей, изображенных на А штриховыми линиями)
Множество связей (отношений) элементов системы между собой, а также элементов системы с внешней средой назовем структурой системы γ и обозначим так:
∑ = {σ1,…,σr},
где r — число всех рассматриваемых связей, образующих структуру системы γ.
Внешняя среда, состав и структура системы могут изменяться с течением времени, что можно выразить записью:
V = V(t) = {S1(t),…,Sk(t)},
χ = χ(t) = {Х1(t), ..., Хn(t)},
∑ = ∑(t) = {σ1(t),…,σr(t)}.
Функцией системы γ назовем закон (совокупность правил) F, по которому в зависимости от внешних факторов V(t) происходит изменение во времени внутренних элементов χ(t) и структуры ∑(t) системы γ. Суммируя вышесказанное, можно дать следующее определение системы:
Системой γ(t), функционирующей в окружающей среде V(t) = {S1(t),…,Sk(t)}, называется объект
γ(t) = γ(V(t), χ(t), ∑(t), F),
образованный элементами множества χ = χ(t) = {Х1(t), ..., Хn(t)}, которые связаны между собой и с окружающей средой определенными связями (отношениями). Совокупность связей образует структуру ∑ = ∑(t) = {σ1(t),…,σr(t)}. И состав χ(t), и структура ∑(t) изменяются во времени в соответствии с функцией F.
Наглядным отображением принципов системности являются экосистемные исследования в гидроэкологии.