4210
.pdf
На правах рукописи
Салугин Александр Николаевич
ДИНАМИКА И ПРОГНОЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ В АНТРОПОГЕННО - ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Специальность25.00.36—геоэкология
АВТОРЕФЕРАТ диссертации насоисканиеучёнойстепени
докторатехническихнаук
Волгоград 2004
Работа выполнена в Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии
Научный консультант: |
доктор сельскохозяйственных наук, академик |
|
РАСХН Кулик Константин Николаевич |
Официальные оппоненты: |
|
|
доктор технических наук, |
|
профессор |
|
Мусаэлян Саркиз Мовсесович |
|
доктор физико-математических наук, |
|
профессор |
|
Харламов Михаил Павлович |
|
доктор сельскохозяйственных наук |
|
Васильев Юрий Иванович |
Ведущая организация: Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия (ВГСХА)
Защита состоится "17"марта 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.01 в Волгоградской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, )
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградской архитектурно-строительной академии
Автореферат разослан " 16 "февраля 2004 г
Учёный секретарь |
|
диссертационного совета |
Л.В. Кукса |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Противоречие между требованиями технического прогресса и сохранением природной среды в настоящее время стало критическим [Г.В.Добровольский, 1999]. Решение этой проблемы имеет глобальный характер и принадлежит к разделу геоэкологии, изучающему условия существования и саморегулирования открытых систем в условиях повышенной антропогенной нагрузки. Естественные ресурсы природы ограничены, а неразумная эксплуатация экосистем и интенсивная урбанизация ведут к нарушению биологического равновесия, саморегулирования, подвергая опасности существование биоценоза в целом. Биотическая составляющая подстилающей поверхности имеет большое количество растительных сообществ, существующих в пространстве и времени в виде растительного покрова; они взаимодействуют с внешней средой, развиваются, видоизменяются, прогрессируют и деградируют. Обратные связи в таких системах управляют их жизненными процессами, преобразуя их в адаптивные.
Открытые системы в геоэкологии являются сложными и многомерными. Исследование их традиционными методами не представляется возможным из-за длительности протекания процессов. В связи с этим исследование временной динамики систем опирается на математическое моделирование. Математические модели, использующие аналоги хорошо изученных явлений, позволяют выявить законы поведения открытых систем геоэкологии безотносительно к пространственно-временному масштабу. Эрозионные процессы, приводящие к разрушениям почвенного покрова, имеют различные концепции описания, что приводит к различным математическим, моделям и, как правило, к различным результатам. В связи с этим существенным является вопрос об адекватности моделирования.
1
Основной задачей математического моделирования систем геоэкологии является определение механизма их разрушения, динамики формирования и составление экологических прогнозов. При детальном анализе предложенных к настоящему времени теоретических положений в этой области оказалось, что практическая реализация существующих математических концепций при моделировании процессов разрушения экосистем далека от совершенства. Особенно это относится к моделям, приводящим к задачам диффузионного типа. В этой связи в работе предлагается ряд компьютерных методов численной реализации математических моделей с применением современных программных средств, включая новые разработки в предметных областях, а также универсальные математические пакеты. Это позволило вывести математическое моделирование на уровень научного исследования. Главная роль при этом отводится численному эксперименту, ценность которого здесь очевидна.
Устойчивость — одно из основных понятий теории развития систем геоэкологии. Оценка устойчивости системы, рациональное использование её ресурсов и предохранение от перегрузок являются задачами, объединяющими специалистов различных областей знаний, изучающих взаимодействие экосистем с техногенными объектами. Такие задачи должны решаться с использованием методологии системного анализа, предусматривающей математическое моделирование и нетрадиционное с точки зрения точных наук применение неформальных приёмов. Проблема принятия решений при рациональном использовании природных ресурсов опирается на результаты математического моделирования и процедуры неформальных экспертиз с использованием формальных приёмов [В.А.Губанов, 1988; А.Н.Салугин, 2002]. Практическое значение таких исследований весьма важно, так как возрастающая интенсификация промышленного производства приводит к необратимой утрате основных свойств экосистем - самовосстановления и эмерджентности [В.И. Арнольд, 1990].
В работе решаются задачи исследования открытых систем с заданными начальными условиями. Это означает, что исходное состояние известно и моделируется динамика в виде эволюционной задачи. Сложность и многомерность изучаемых в геоэкологии систем не позволяют формально переносить понятие математической устойчивости решений на их функциональную устойчивость. Поэтому задача об определении условий устойчивого динамического развития решалась с помощью численного эксперимента.
Цели и задачи исследований. Целью работы являлась разработка динамических моделей для исследования устойчивости и прогноза систем геоэкологии, научное обоснование возможности применения этих моделей для оптимального природопользования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-разработка численно-аналитических моделей эрозионных процессов с целью выявления характера динамики и составления прогнозов формирования склоновых систем;
-реализация математических моделей на ЭВМ в виде численного эксперимента и определение параметров склонов для использования в проектировании защитных мероприятий;
-разработка компьютерной технологии и автоматизация обработки топографической информации для осуществления природоохранных мероприятий на склоновых катенах;
-изучение динамики аридных систем с целью прогнозирования и определения допустимых антропогенных нагрузок;
— выявление условий устойчивого развития открытых систем и определение точек бифуркаций с целью предупреждения катастрофического разрушения; - разработка основных концепций распознавания образов видеоизображений аэрокосмической фотоинформации (АКФ) и компьютерной технологии дешифрирования.
3
Объекты исследований и фактический материал. Объектами исследований являлись экосистемы Северо-Западного Прикаспия (Чёрные земли Калмыкии) и Волгоградской области. Данные для составления математических моделей эрозионных процессов были получены с помощью оцифровки тапографичекой информации. Разработка компьютерных методов оптимального размещения лесных полос осуществлялась с применением данных тестовых участков склонов водосбора "Мелоклетский" Клетского района Волгоградской области. Задачи распознавания образов и исследование динамики аридных экосистем обеспечивались данными АКФ тестовых участков Чёрных земель Калмыкии общей площадью 100 тыс га.
Научная новизна работы заключается в разработке теории и методологии математического моделирования динамических процессов в геоэкологии, определение условий стабильного функционирования систем. На защиту выносятся следующие основные положения :
—теоретические основы математического моделирования склоновых процессов и дефляции почв;
-совокупность методов реализации моделей (численный эксперимент), позволяющих прогнозировать эволюцию склоновой системы и дефляционные процессы на почвах;
—технология численного ЭВМ-моделирования рельефа и определение линий тока, картографирование динамики смыва и уклонов;
—оптимальное размещение лесных полос с использованием триангуляции поверхности водосборов;
-модели динамики сложных аридных систем, в том числе на основе дифференциальных уравнений и марковских цепей для исследования их устойчивости;
-исследование динамики и прогноз состояния аридных экосистем;
-разработка концепции распознавания образов при дешифрировании АКФ;
-интегрированная система компьютерного дешифрирования (ИСКД).
Практическая значимость и реализация работы. Основные результаты разработанных математических моделей и численных экспериментов использованы в проектировании оптимальных противоэрозионных мероприятий и их технологий : а) описание геоморфологии склонов при определении характеристик форм эрозионно-аккумулятивного рельефа, б) определение степени эродированности почв при составлении карт экологического состояния; в) расчёт крутизны склонов, смыва почв и построение карт изолиний; г) моделирование эволюции и прогнозирование форм склонов; д) районирование территории и составление тематических карт по признакам геоморфологии, ландшафтов, степени эродируемости и т.п. Экономическая обоснованность принимаемых решений в природопользовании определялась математической моделью и прогнозом. Адекватные математические модели позволили получить необходимые данные для обоснования природоохранных мероприятий. В диссертации по снимкам аэрокосмического мониторинга исследовалась динамика опустынивания Чёрных земель Калмыкии, используемых на протяжении многих лет в качестве высокопродуктивного зимнего отгонного пастбища. Процессы дефляции почв были прослежены по АКФ, полученным в период с 1954 по 1995 гг. с пространственным разрешением 5-50 м [Б.В. Виноградов, 1993, 2000]. Материалы диссертации использовались ЮжНИИгипроземом при разработке Генеральной схемы борьбы с опустыниванием Чёрных земель Калмыкии, комитетом по экологии и охране природы Калмыки и Волгоградской области при разработке природоохранных проектов (1994 г.). Результаты работы вошли в "Методические рекомендации по применению аэрокосмических методов в агролесомелиорации" (Москва, 1991), "Методику полевого моделирования эрозии, расчёта смыва и расстояний между лесополосами" (Москва, 1991), " Методическое пособие по применению информационных технологий в агролесомелиоративном картографировании" (Москва,2003).
Разработанные теоретические положения математических моделей и
методы их реализации используются сотрудниками Всероссийского научноисследовательского института агролесомелиорации. ИСКД внедряется там же для автоматизации дешифрирования АКФ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на конференциях, совещаниях, семинарах, курсах, конкурсах: международных (USA, Madison, New Yersey, 1977; Алма-Ата, 1982; Волгоград, 1999, 2001; Курск, 2003), всесоюзных (Киев, 1972; Красноярск, 1978); всероссийских (Волгоград, 1998; Саратов, 1998; Москва, 2000); республиканских (Волгоград, 1990); межвузовских (Саранск, 1972; Волгоград, 1989; Пенза, 1992); межрегиональных (Волгоград, 2000,2003).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 36 печатных работ. Из совместных публикаций в диссертацию включены разработки, принадлежащиеличноавтору.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 343 стр., иллюстрирована 98 рисунками, содержит 15 таблиц, приложений на 38 стр., список литературы из 378 наименований.
Большое содействие и помощь в проведении работ оказали доктор географических наук, профессор |Б.В. Виноградов!, лауреат Государственной премии; академик РАСХН К. Н.Кулик; ведущий научный сотрудник отдела защиты почв от эрозии, доктор с.-х.н., лауреат премии правительства РФ Е.А. Гаршинёв, за что автор выражает им искреннюю благодарность. Автор благодарен д.с.-х.н. А.С. Рулёву за постоянные обсуждения результатов и бесценные консультации по вопросам картографии. В работе принимали участие А.В. Филиппов и Б. П. Петрюк. Автор искренне признателен им за помощь в выполнении работ по составлению и реализации программного обеспечения.
В работе использовались результаты исследований последних двадцати лет, проведённых автором в тесном сотрудничестве с отделом защиты почв
от эрозии ВНИИ агролесомелиорации (ВНИАЛМИ). Идеи Е.А. Гаршинёва явились основой для математических моделей склоновых процессов и, несомненно, стимулируют дальнейшее развитие этих работ в будущем.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Концепция исследования динамики и устойчивости экосистем
Исследование динамики систем, условий их динамической устойчивости и построение прогнозирования с помощью математических моделей осуществлялось методом численного эксперимента. Объектами исследования служили склоновые системы, представляющие собой один из уровней иерархии водосбора - ландшафтной катены [И.С. Кочетов, 1999] и экосистемы пастбищ аридных территории Северо-Западного Прикаспия [К.Н. Кулик, 1994; Б.В. Виноградов, 2000]. Составленные математические модели динамики систем и методы их решения показали на новые возможности в научном познании открытых нелинейных систем. Современная технология компьютерных методов позволяет подойти к исследованию процессов в таких системах с точки зрения синергетики, используя математическую модель и исследуя её свойства, а не оригинальный объект [Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, 2002]. Другой стороной современной вычислительной технологии в научных исследованиях является то, что стоимость численных расчетов значительно уменьшилась, при значительном увеличении числа арифметических операций в реализации научного или технического проекта. Важным достижением в области компьютеризации является значительный прорыв в разработках математических пакетов научного назначения. Использование возможностей этих пакетов позволило реализовать большинство наших идей в разработке моделей, численного эксперимента и прогноза.
В работе используется сочетание аналитического и численного решений, позволяющее увеличить круг решаемых задач и обеспечить большую наглядность анализа результатов с помощью дисплея с анимационными эффектами, демонстрирующими динамику процесса.
Технологический процесс обработки картографической информации с применением аппаратных, компьютерных и программных средств с целью получения данных для математического моделирования процессов смыва почв базировался на последовательно-параллельной схеме. С помощью разработанного пакета программ осуществлялось предварительное преобразование исходного изображения, векторизация и оцифровка z-координат. Моделирование пространственных образов проводилось с помощью триангуляции поверхности. Таким образом, было полностью автоматизировано определение трасс линий тока, водоразделов и тальвегов. Профили склонов и линии тока использовались для решения задач более общего плана: моделирования процессов формирования склонов и оврагообразования, генезиса водосборов и оптимального размещения защитных рубежей. Полученные геофизические параметры предопределяют динамику процессов водной эрозии, формирования водосбора, а в конечном итоге - ландшафта.
Математическое моделирование использовалось для принятия оптимальных решений при эксплуатации почвенного покрова. Обработка данных космического мониторинга позволила определить необходимые параметры для математической модели, описывающей сложные дефляционные процессы почвенного покрова. Исследования показали, что эксплуатация пастбищной системы требует регулирования нагрузки в зависимости от текущего состояния. Применение математического моделирования на примере Чёрных земель Калмыкии позволило получить практические результаты для оптимального управления в целях их сохранения и стабилизации.
Внедрение информационных технологий для предварительной обработки АКФ в значительной степени увеличило репрезентативность получае-
8