1 Моделювання екологічних систем: системний екологічний аналіз

Мета роботи – засвоїти  методичні  основи  процесу  та  набути

                    практичних навичок системного аналізу екосистем. 

Об’єкт дослідження – локальна екологічна система.

Предмет дослідження - процедура системного аналізу екосистем.

 

Завдання – провести системний екологічний аналіз локальної

                    екологічної системи.

 

Основні науково-теоретичні положення

Під екологічною системою розуміють систему, конкретний зміст якої пов'язаний із відношеннями в галузі екології, тобто відношеннями живих організмів з їх середовищем перебування і, зокрема, взаємовідносин людини і довкілля. Такі екосистеми мають специфічні характеристики, що обумовлюють їх властивості. Тому, ставлячи перед собою завдання дати будь-який загальний виклад практичних прийомів побудови моделей цих систем, необхідно визначити їх особливості, які багато в чому полегшують виконання цього завдання.

Екологічні системи охоплюють своїми взаємозв'язками не лише природне середовище, але й соціальну та всі виробничі й інші галузі суспільного господарства. Тому об'єктами екосистем можуть бути будь-які елементи природного середовища, промисловості, транспорту, сільського господарства, культури, науки,  адміністративного управління тощо.

Якщо розглядати окремо будь-який елемент екосистеми, то неважко побачити певну особливість у його функціонуванні – зміна характеристик цього елемента веде до зміни характеристик усієї системи і в результаті цього до зміни її впливу на зовнішнє середовище. У свою чергу, зміни зовнішнього середовища викликають зміни в екосистемі її внутрішнього стану.

Щоб задати систему, необхідно (і достатньо)  здійснити опис усіх її елементів і опис усіх її зв'язків взаємодії між цими елементами. Оскільки характер функціонування системи залежить від умов навколишнього  середовища,  то  одним із основних завдань дослідження є вивчення  взаємозв'язків цієї системи із зовнішнім середовищем (крім випадків так званих автономних систем, які не залежать від зовнішнього середовища).

Для простоти математичного опису зручно зовнішнє середовище зображати у вигляді сукупності елементів (за аналогією до елементів самої екосистеми) лише з тією різницею, що цілісної моделі поведінки цих елементів створювати  немає  потреби. Тому досить задати її лише в тій частині, яка має відношення до формування відповідних дій (впливу) цього  середовища  на елементи екологічної системи.

Використання уніфікованого математичного опису для елементів екосистеми і об'єктів зовнішнього середовища, а також для взаємодії елементів системи між собою і з оточуючим середовищем допомагає спрощенню моделей.

Крім цього, з'являються умови для створення єдиних прийомів і засобів дослідження системи. Тому на перший план висувається потреба в розробленні уніфікованих моделей і типових математичних схем первинної формалізації об'єктів екосфери, які становлять елементи складних екосистем.

Розгляд досліджуваного об'єкта матеріального світу як системи, що складається із взаємодіючих елементів, побудова математичної моделі для нього і дослідження його властивостей методом моделювання становить сутність системного підходу.

Системний підхід має вирішальне значення в дослідженні операцій, системотехніці, у сфері проектування, створення автоматизованих систем управління (у т.ч. в природоохоронній діяльності), у кібернетиці, фізіології, біології (особливо молекулярній), хімії, економіці (особливо її математичній частині) та в багатьох інших науках.

Широке застосування системний підхід знайшов в екології та в управлінні природокористуванням.

Сукупність методів і прийомів дослідження, які входять до переліку цього самостійного наукового напрямку, становлять предмет системного аналізу.

Системний аналіз є методологічною базою моделювання систем. Він становить загальний раціональний підхід до вирішення складних еколого-економічних та інших проблем. Він забезпечує вибір бажаного шляху розвитку серед сукупності можливих альтернатив на основі комплексного вивчення структури системи, мети розвитку, умов розвитку тощо.

Системний аналіз  передбачає створення математичної моделі системи, що вивчається, визначення набору її цілей, керуючих дій і впливів, аналіз наслідків можливих рішень, оцінку чутливості результатів до змін припущень моделей і т.д.

Природні, економічні, а також еколого-економічні системи містять та відображають різноманітні процеси (біологічні, фізичні, хімічні, механічні, соціальні, економічні тощо).

Жорстко підходячи до моделювання екосистем, необхідно включати в модель всі її елементи без винятку – тільки у такому випадку можна сподіватися врахувати всі можливі реакції системи на зовнішній вплив. Оскільки це надзвичайно складно, а іноді й неможливо, то застосовують різні прийоми і способи для зменшення кількості елементів та спрощення системи.

Одним із резервів соціально-економічного розвитку суспільства є комплексний підхід до розв'язання задач управління природокористуванням з використанням принципів системного аналізу. Реалізація цього підходу в межах досліджуваної проблеми вимагає програмованості і урахування ієрархічності та багатозначності зв'язків.

Виходячи з основних принципів системного аналізу, його застосування в сфері управління природокористуванням найбільш доцільне при розв'язанні комплексних проблем політики, стратегії та тактики, а також при вивченні еколого-економічних процесів суспільного розвитку, рівня забруднення довкілля, якості життєвого середовища тощо.

Системний аналіз включає послідовність таких етапів:

- вивчення існуючої ситуації;

- визначення проблем, які необхідно вирішувати;

- визначення загальної мети системи в цілому та її елементів окремо;

- порівняння різних альтернативних шляхів досягнення поставленої мети;

- пошук та вибір оптимального шляху на базі науково розроблених критеріїв оцінки ефективності;

- побудова моделей залежності між елементами системи;

- дослідження кількісних і якісних відношень, її функціональних характеристик, ступеня взаємних дій і наслідків;

- постановка завдань щодо вдосконалення системи;

- визначення кількісних і якісних показників ефективності діяльності системи; прийняття управлінського рішення.

Системний підхід широко використовується не лише в галузі природокористування, але й в екології. Наприклад, в питаннях екологічного аналізу екосистем та природоохороних розробок.

Схема системного екологічного аналізу екосистем складається з послідовного виконання таких етапів:

- аналіз досліджуваної природної компоненти (об'єкта середо-вища) як фізичного тіла (фізико-хімічні та інші параметри);

- аналіз даної компоненти як екологічної складової (роль та участь у забезпеченні життя);

- аналіз компоненти як структурного елемента природної екосистеми (роль та участь у природних кругообігах);

- аналіз компоненти як джерела природних ресурсів (речовин, хімічних елементів, матеріалів, енергії, сил тощо);

- аналіз внутрішніх міжелементних взаємозв'язків;

- аналіз зовнішніх взаємозв'язків (вхідні та вихідні сигнали);

- основні (головні) висновки за результатами екологічного аналізу досліджуваної компоненти (об'єкта, середовища).

 

          Алгоритм виконання роботи 

Виписати найменування локальної екосистеми згідно із заданим варіантом завдання (табл.1.1).

Провести системний аналіз даної локальної екосистеми згідно зі схемою послідовного виконання етапів її дослідження.

Дати короткий аналіз результатів дослідження.

Сформулювати стислі висновки.

 

     Вимоги щодо оформлення результатів роботи

      Звіт повинен містити:

Вихідні дані згідно із заданим варіантом завдання.

Результати всіх послідовних етапів виконання системного екологічного аналізу заданої екосистеми згідно зі схемою  дослідження.

Короткий аналіз результатів. 

Стислі висновки щодо одержаних результатів.

 

 

Таблиця 1.1 -  Варіанти завдання вихідних параметрів для

                      досліджуваних локальних екологічних систем

                  

 

 

Питання для самоконтролю

Перелічити шляхи накопичення досвіду, охарактеризувати суть цього процесу та вказати, яку роль відіграють  моделі?

Охарактеризувати суть процесу імітації та вказати його роль в дослідженні екосистем. 

Навести визначення поняття моделі, визначити в ньому  ключові слова, проаналізувати причинно-наслідкові зв’язки, навести приклади та зробити короткий висновок.

Дати визначення об’єкта моделювання в екології та навести приклади.

Перелічити види моделей, визначити основну суть кожного з цих видів та  провести їх стислий порівняльний аналіз.

Вказати, що є достатнім для того, щоб об’єкт можна було віднести до системи?  

Назвати характерні особливості системи та стисло проаналізувати їх.   

Назвати та охарактеризувати параметри системи.   

Вказати, що є необхідним і достатнім для того, щоб задати екологічну систему?

Визначити поняття стану системи та вказати, чим він  характеризується.

Вказати, що мають на увазі під поняттям взаємодії між елементами системи, результатом якого процесу є це явище та назвати, які чотири моделі достатньо мати для формального опису  взаємодії між елементами системи.

Дати визначення та сутність системного підходу (аналізу) в науці й екології та стисло охарактеризувати його як науковий метод.