Экология и экономика природопользования (стр. 80 из 113)

Рис. 13.14. Орграф, отображающий сброс сточных вод при развитии

г. Сан-Диего и их воздействие на биологическую систему

«Водоросли Macrocystis — Морские ежи»

Результаты моделирования экосистемы, представленной орграфом на рис. 13.15, приведены ниже.

Рис. 13.15. Результаты моделирования на основе орграфа,

представленного на рис. 13.14

Полученные графики подтверждают фактические данные о катастрофическом уменьшении популяции водорослей. Для борьбы с морскими ежами природоохранные органы решили сбрасывать негашеную известь (окись кальция), а затем вновь заселять участки побережья молодыми водорослями. Такое решение можно продемонстрировать в виде следующей модели, орграф которой изображен на рис. 13.16.

Рис. 13.16 Борьба с морскими ежами и восстановление

популяции водорослей путем дополнительного заселения

Сброс сточных вод не позволял восстановить популяцию водорослей, поскольку сброс негашеной извести имел лишь разовый эффект, а сброс сточных вод из города был непрерывным. Результаты моделирования (рис. 13.17) подтверждают неэффективность такого подхода. На графиках видно, что разовое мероприятие дает возможность изменить популяцию морских ежей и увеличить популяцию водорослей. Но поскольку экосистема не находится в равновесии, водоросли далее продолжают вымирать, а ежи восстановили свою популяцию.

Рис. 13.17. Результаты моделирования последствий разовых мероприятий

— сбросов негашеной извести и подсадки молодых водорослей

В 1963 г. в городе Сан-Диего был прекращен сброс сточных вод непосредственно в океан. Исключение фактора сброса сточных вод и загрязнения побережья позволило быстро восстановить популяцию водорослей без дополнительного воздействия на популяцию морских ежей. По сути при прекращении сброса сточных вод экосистема вновь стала описываться орграфом, приведенным на рис. 13.13.

13.3. Прогноз развития социо-эколого-

экономической системы

Сфера применения орграфов еще больше расширяется, если использовать не знаковые, а взвешенные орграфы. Во взвешенном орграфе каждой дуге присваивается не знак, а коэффициент, больший или меньший единицы (со своим знаком). Импульсная или абсолютная устойчивость взвешенного орграфа предупреждает о том, что в системе что-то не в порядке, необходимо изменить структуру системы (добавить новые вершины, удалить или добавить дуги, изменить коэффициенты) или провести искусственное регулирование.

Особенностью многокомпонентных задач является то, что с помощью орграфов удается объединить в модели системы различные социальные, экономические и экологические показатели. Часть этих показателей может иметь статистическую базу, другая часть — не иметь, а третья — оцениваться качественно. С помощью решения многокомпонентных задач можно оценить тенденцию развития системы, что, безусловно, ценно. Но при уточнении модели можно сформировать количественный прогноз изменения показателей системы, а также найти различные варианты воздействия на изучаемую систему с целью получения лучшего варианта.

До сих пор рассматривались ориентированные графы, в которых единственной количественной характеристикой является весовой коэффициент (или знак) на дуге. Для прогнозирования экосистем этого недостаточно, поскольку специалистов может интересовать вопрос не только о том, какой будет система, но и в какие сроки система достигнет того или иного состояния. В этом случае необходимо каждой дуге поставить в соответствие не только коэффициент, определяющий влияние одного показателя на другой, но и задержку реализации изменения одного показателя в ответ на изменение другого. Если эта задержка равна нулю, то изменение показателя будет произведено мгновенно; если же указан определенный интервал времени, то изменение показателя будет произведено только по прошествии указанного интервала времени. Эти возможности еще более усиливают применяемый математический аппарат и делают его привлекательнее.

Рассмотрим простейший пример, в котором используются временные задержки. На рис. 13.18 представлен орграф модели развития промышленного центра и состояния окружающей среды. В нем даны весовые коэффициенты и время задержки реализации воздействия одного показателя на другой, выраженное в годах.

Рис. 13.18. Взвешенный орграф с временными задержками для изучения

развития промышленного центра и состояния окружающей среды

В результате моделирования на основе данного взвешенного орграфа с временными задержками можно получить тенденцию изменения показателей в привязке к оси времени. Полученный график представлен на рис. 13.19.

Рис. 13.19. Изменение показателей в соответствии с результатами

моделирования на основе орграфа, представленного на рис. 13.18

При разработке модели на базе орграфа можно использовать статистические методы. Однако статистические данные по показателям, всесторонне характеризующим социо-эколого-экономическую систему, отсутствуют. Поэтому для формирования ориентированного графа и определения весов на его дугах следует воспользоваться методами экспертных оценок.

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

• Оценка воздействия на окружающую среду (ОВОС) представляет собой всесторонний анализ некоторого проекта (вида деятельности) с точки зрения связанных с ним экологических последствий до принятия решения о его осуществлении. Цель ОВОС — предвидение возможных нарушений в окружающей природной среде, связанных с хозяйственной деятельностью. Для ОВОС следует использовать многокомпонентный анализ, не ограничиваться узкими экономическими критериями эффективности: приведенными затратами, себестоимостью продукции и т.д. Необходимо учитывать устойчивость природных систем, поскольку хозяйственный объект, пригодный для одной природной системы, будет совершенно не пригоден для другой.

• Главные свойства сложных систем — иерархичность (наличие соподчиненных систем различных уровней), эмерджентность (наличие свойств системы, отличных от свойств ее отдельных подсистем и элементов), наличие катастроф развития (скачкообразных изменений некоторых переменных в ответ на плавное изменение внешних условий).

• Сложность процедуры ОВОС состоит еще и в том, что при обосновании проекта приходится оценивать, как указывалось выше, не реальную, а гипотетическую природную систему, возникающую после строительства объекта или осуществления запланированного вида деятельности. Для решения задач ОВОС широко привлекаются эксперты. Резкое снижение затрат на решение задач ОВОС и получение результатов достаточной точности возможны на основе реализации экспресс-метода. Системное представление и анализ изучаемого объекта обеспечиваются за счет использования специального математического аппарата теории графов.

• Ориентированные графы составляют основу решения многокомпонентных задач в зависимости от значений на дугах, которые расставляются экспертами или определяются на базе статистической информации, ориентированные графы, (орграфы) могут быть знаковыми, взвешенными.

• Моделирование развития системы на орграфе осуществляется с помощью импульсных процессов. В орграфе могут быть контуры положительной или отрицательной обратной связи. Вид обратной связи определяет устойчивость системы: абсолютную или импульсную. С целью привязки к шкале времени на дугах орграфа должны быть указаны задерждки времени.

• Многокомпонентные задачи позволяют моделировать экосистемы «хищник—жертва». Биологические принципы устойчивости экосистем реализуются в моделях на орграфах. Концептуальное представление точек равновесия можно продемонстрировать с помощью кривых выедания и накопления, а также большие возмущения в экосистеме и переход системы из одного равновесного состояния в другое.

• С помощью моделирования многокомпонетных задач на орграфах можно проверить варианты выдвинутых научных гипотез исходя из логических построений, которые достаточны для создания формализованной математической модели.

ПОВТОРИМ:

1. Исследуйте модель развития промышленного региона и состояние окружающей природной среды в регионе на основе нижеприведенного знакового орграфа. Выясните, является ли данная система устойчивой и, в случае неустойчивости, предложите мероприятия, позволяющие добиться устойчивости системы.

2. Проанализируйте модель удаления твердых отходов в городе, разработанную японскими специалистами. Выясните, является ли данная модель устойчивой? Что произойдет, если миграции в город возрастут? Если модель не является устойчивой, какие меры вы можете предложить для достижения устойчивости модели?

3. В чем сущность знаковых орграфов?

4. Каким образом с помощью знаковых орграфов можно отследить тенденцию развития экосистемы?

5. Каковы призанки и особенности контуров, усиливающих отклонения? Роль контуров в моделировании экосистем.

6. Какая информация нужна для построения знаковых орграфов?