ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТРУКТУРНОГО МЕТОДА
МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ЛЕСОВ В ЗОНАХ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Рунова Е.М. (БрГТУ, г. Братск, РФ)
The results of use of a structural method of modeling for an estimation of coniferous woods in zones of industrial pollution are given.
Объектом исследований явились лесные экосистемы в зонах промвыбросов с преобладанием фтор- и хлорсодержащих компонентов в районе действия лесопромышленного комплекса и алюминиевого завода г. Братска. Исследования проводились на довольно обширной территории. Визуально обследовано более 150 тыс. гектаров леса. Для более детального и глубокого изучения процессов деградации лесных сообществ было заложено 11 постоянных пробных площадей и более 200 временных. Определено изменение таксационных показателей древостоев в связи с воздействием экологических факторов. Результаты 15-летних исследований позволили разработать модель состояния древостоев в зонах промышленных выбросов и алгоритм управляющих воздействий на ослабленные промвыбросами леса.
Качественная оценка лесных экосистем основана на контроле и учете реакций древесной растительности на воздействие экологических факторов. Прогноз реакций древесной растительности зависит от характера продолжительности и интенсивности воздействия антропогенных факторов окружающей среды.
Развитие исследований в направлении изучения состояния лесных экосистем связанно с применением математического моделирования в исследовании влияния антропогенных нагрузок на лесные сообщества. Целью подобного моделирования является прогноз состояния лесных экосистем и характеристика влияния окружающей среды на лесной фонд.
Процесс моделирования можно условно разбить на шесть основных этапов: первый этап - исходный - определение конечных целей моделирования, набора участвующих в модели факторов и показателей, их роли; второй этап - предмодельный анализ физической сущности изучаемого явления, формирование и формализация априорной информации; третий этап - собственно моделирование (вывод общего вида модели); четвертый этап - статистический анализ модели (оценка неизвестных значений участвующих в описании модели параметров); пятый этап - верификации модели; шестой этап (в случае необходимости) - уточнение модели, в частности возвращение ко второму этапу.
Современные системы управления объединяют широкое разнообразие физических компонент или элементов. Следовательно, математическая дисциплина, предназначенная для исследования систем управления, должна давать полное представление о системах различной физической природы. Такое представление о системах можно получить с помощью линейных графов. И хотя теорию линейных графов нельзя рассматривать как панацею при решении всех прикладных задач, тем не менее, методы этой теории позволяют наиболее рационально формализовать процесс проектирования.
При структурно-параметрическом синтезе системы в качестве переменных целесообразно рассматривать искомую структуру с неизвестными параметрами, поэтому вершинам графа поставим в соответствие операторы системы, а дугам - сигналы системы. Такой вид графа называется структурным графом (С-граф).
На состояние лесных экосистем оказывают влияние большое количество различных факторов За критерий оценки состояния лесных экосистем принимался интегральный показатель леса S(i).
На основе проведенных теоретических исследований установлены законы качественного состояния лесных массивов в условиях антропогенного воздействия и в соответствии со структурной схемой построена матрица компонент и матрица структуры.
С целью понижения порядка уравнения матрица разбита на подматрицы.
В результате получена система уравнений для вывода закона управления. Полученная модель может быть исследована в выбранном нами пространстве факторов: А – влажность воздуха, Р – давление атмосферы, Т – температура воздуха, g - радиационный уровень, Gпочв – степень загрязненности почвы, рекреационная нагрузка, h – величина подроста, Г – уровень выбросов. Эти факторы носят интегральный характер и для их получения необходимы длительное время и большие затраты.
Разработанная топологическая модель позволяет перейти к другой размерности пространства факторов, а, следовательно, к другим физическим параметрам.
Формализовано, математически эта свобода выбора определяется лишь областью существования ранга матрицы, который всегда равен 1. С этой целью матричное уравнение разбивается на подматрицы и производится перемножение матриц, в результате чего получается уравнение системы.
Исходные данные для определения коэффициентов регрессии получены по материалам постоянных пробных площадей, уровень загрязнения определен по материалам института географии СО РАН и метеостанции города Братска.
Уравнение регрессии имеет следующий вид:
y=0,025389x11+0,365472x12+0,436433x13+0,320562x14-0,68875x15+0,235038x16-0,01909x17 ;
Проверка уравнения на адекватность проводилась с использованием критерия Фишера: Fрасч= S2ад./ S2`y , где S2ад- дисперсия адекватности; S2`y - дисперсия воспроизводимости.
Так как расчетное значение критерия Фишера не превосходит критического, найденного по таблице, можно утверждать, что полученное уравнение регрессии является адекватным.
На основании уравнения строились графики зависимости индекса состояния от отдельных экологических факторов и суммарное значение индекса по уравнению регрессии в зависимости от воздействия факторов. На основании полученных зависимостей можно сделать следующие выводы.
Суммарное количество твердых нерастворимых веществ (Х'1) имеет незначительное воздействие на интегральный показатель устойчивости насаждений S(i). Причем отдельно взятый фактор Х'1 воздействует угнетающе, а при суммарном воздействии всех факторов увеличение количества твердых нерастворимых веществ в незначительной степени даже повышает устойчивость. Это можно объяснить тем, что реакция твердых нерастворимых веществ щелочная, поэтому они нейтрализуют воздействие агрессивной кислой среды, губительной для растений.
Содержание твердых фторидов (Х'2) оказывает сильное угнетающее воздействие на древостои, причем при суммарном воздействии других факторов отрицательный эффект сильно усиливается.
Несколько противоречиво воздействие на интегральный показатель кислотности почвы. Если учитывать этот фактор без взаимодействия с другими, то снижение кислотности вызывает повышение жизнеустойчивости насаждений, при суммарном воздействии всех факторов наблюдается обратное действие. Во-первых, это можно объяснить незначительным колебанием кислотности почв на исследуемом объекте (от pH 6 до pH 7), во-вторых, компенсирующим действием щелочной среды твердых нерастворимых выбросов, количество которых весьма значительно.
Количество подроста имеет положительную корреляцию с интегральным показателем жизнеустойчивости леса. Чем выше S, тем больше количество подроста, а, следовательно, репродуктивная способность леса.
Рекреационная нагрузка (Х'5) в незначительной степени угнетает жизнеспособность лесных сообществ.
Увеличение содержания растворимого фтора мг/л (Х'6) вызывает снижение интегрального показателя.
Содержание растворимых веществ в снеге мг/л в незначительной степени угнетает жизнеустойчивость насаждений.
Можно выделить наиболее угнетающие факторы, оказывающие резкое отрицательное действие на древостой. Это твердые и растворимые фториды, содержание растворимых веществ, кислотность почвы и рекреационная нагрузка.
Зная характер и степень воздействия угнетающих факторов можно управлять состоянием лесных экосистем путем снижения уровня фторидов, рекреационной нагрузки и других взаимодействующих факторов.
Использование данной методики позволяет оценить многофакторное воздействие на критерий оценки состояния леса.
Работа выполнена в рамках ФЦП “Интеграция”, проект А0034 “Геофизические и биологические проблемы лесных экосистем”, в котором БрГТУ является головным исполнителем.