Гидрология как одна из множества естественных наук постепенно втягивается в оболочку под названием "охрана окружающей среды". Проблематика данного движения сводится к неупорядоченности исследований и замусоренность данного пространства. Особо в данном цикле отмечается такая наука как экология.

Экология -- наука, изучающая взаимоотношения живой и неживой природы. Термин впервые предложил в книге "Общая морфология организмов" ("Generalle Morphologie der Organismen") в 1866 году немецкий биолог Эрнст Геккель.

Существует огромное количество трактовок термина "экология", начиная с биологической формулировки Геккеля, заканчивая понятием экологии как "обширной, энциклопедической области знания" "среди наук, входящих в экологию, - не только биология, но и химия, физика, геология, география, метеорология, климатология, гидрология, палеонтология, археология, антропология и социология ". (Southwick C.H. "Ecology and the Quality of the Environment)

В настоящие время возникло огромное количество "экологизированных" наук, да и сам термин экология сильно разрастается. На решение проблем окружающей среды претендует большое количество наук, в том числе сама экология и география, но в силу многих особенностей они не могут проинтегрировать тот методологический набор который сейчас так необходим для использования.

"Необходимость синтеза наук о Земле для решения проблем окружающей среды не может быть разрешена утверждениями, что это решат экология или география. Они к этому не предназначены, не подготовлены и сделать не в состоянии.

Экологи и географы не одиноки. Экологический синдром охватил и других представителей наук о Земле, все считают, что именно они наиболее приспособлены для решения задач экологии. Все они лгут, и все говорят правду. Первое - потому, что кажущейся приспособленности вовсе нет, а второе - из-за общего стартового равенства. Поэтому сейчас слово "экология" представителями многих наук используется как красочная отличительная наклейка на чемодане туриста.

Интегрирующая наука, силуэт которой все более четко вырисовывается на наших горизонтах, крайне необходима. Только сейчас мы расстались с мыслью, что в качестве ее могут выступить экология и география, и осознали, что она не должна претендовать на традиционные, давно уже развившиеся научные дисциплины как на свои разделы.

Это должна быть новая междисциплинарная наука, новая не по содержанию проблем и вопросов, а по способам их решения. Это должна быть наука, в основе которой лежит идея организованного целенаправленного взаимодействия всего цикла наук о Земле. Это должна быть "прикладная координационная наука", которая может привести в согласованное сочетание методы и выводы ряда отраслевых (частных) наук в процессе решения крупнейшей комплексной жизненно важной для человечества проблемы - охраны окружающей среды. Этой координационной науке можно оставить уже прозвучавшее название - "наука об окружающей среде".

Итак, наука об окружающей среде - это координирующая система, интегрирующая знания наук о Земле и социологии с точки зрения влияния окружающей среды на человека и человека на окружающую среду, во всей сложности, неизбежности, красоте и жестокости обратных связей. Именно в такой своей сущности эта наука, очищенная от "ненужных подробностей" своих составных частей, может дать естественнонаучное обоснование социальных и политических решений, направленных на охрану окружающей среды.

В повестке дня стоит задача ликвидации тупиковой ситуации в науке об окружающей среде. Необходимо отыскать новые направления поиска, если нет приемлемых результатов в рамках привычных подходов. Все-таки наука об окружающей среде - нечто цельное, а не просто "сборная солянка".

Но мы должны четко сознавать, что трудности, стоящие на этом пути, велики, ибо необходимое изменение стратегии и тактики науки об окружающей среде идет в разрез с привычными интересами тех, кто на самом деле призван к сотрудничеству. Круг проблем и технологий, передаваемых в распоряжение координационной науки питающими ее науками, слишком широк и неизведан для того, чтобы в нем разобрались люди, знания, и опыт которых ограничиваются рамками одной из специальностей в области наук о Земле. В этих условиях нужны ученые-организаторы высокого уровня и широкого профиля. Точно так же нужны и новые методы и подходы, которые обеспечивали бы полноценное использование всей полезной информации.

И, тем не менее, жизнедеятельность частных дисциплин, питающих координационную науку своими методами и решениями, обеспечивается профессионалами по соответствующим направлениям, определенным образом осведомленными об общей для всех них конкретной целевой функции."

Ландшафтный подход к решению проблем охраны окружающей среды.

Концепция выделения отдельных ландшафтов:

1. Никакие ограничения на протяженность ландшафта не накладываются.

2. Нет ограничений и степени дифференциации ландшафтной системы.

3. Размеры и детальность выделения ландшафтов определяются характером поставленной задачи, ее целями, уровнем разрешения и, тем самым, степенью генерализации и масштабом картирования.

Концепция единой терминологии в комплексе наук питающих координационную науку об окружающей среде.

Создание модели оценки загрязнения окружающей среды. (Рациональная модельная система "TRIVIUM")

Центральная задача - дать комплексную оценку нынешнего и прогнозируемого на будущее экологического состояния какой-либо территории в связи с ее загрязнением токсичными химическими веществами. Эта задача может быть осложнена и расширена в отношении необходимости управления процессами, происходящими на этой территории и, в первую очередь, процессами загрязнения и восстановления.

Данная задаче должна решаться с создания математического модельного комплекса, который должен состоять из трех самостоятельных, но взаимосвязанных модулей(модельных комплексов), обоснование и информационное обеспечение которых связано с тремя науками- Экологией, геохимией, гидрологией.

"Поле боя" для всех трех моделей одно и то же - ландшафт. Остановимся еще раз на этом важном моменте. Ландшафт, экосистема, стокоформирующий комплекс, получившие свои наименования в связи с различной целенаправленностью своего применения, - это один и тот же объект. И всегда - это в допустимой степени однородное природное образование.

Водосбор, а в частности речной бассейн является наиболее удобной "экологической единицей" в связи с четким проведением границ по водоразделам и признана наиболее удобной "из всех созданных до настоящего времени единиц районирования " (Хаггет П. " География: синтез современных знаний",1979).

Описание модели "ЭКОСИСТЕМА" - "ГЕОХИМИЯ" - "СТОК-ЭРОЗИЯ-ЗАГРЯЗНЕНИЕ".

Модель "ЭКОСИСТЕМА". Должна воспринимать непрерывный поток информации из двух других элементов триады - о температуре и влажности воздуха, осадках, температуре и влажности почвы, а также ее фазового состояния, о присутствии загрязнителя на поверхности земли, в почвенных водах и в адсорбированном состоянии в почве (из модели "СТОК-ЭРОЗИЯ-ЗАГРЯЗНЕНИЕ"), о химической расшифровке сущности загрязнителя, токсической нагрузке, концентрации мигрирующих в пределах ландшафта химических элементов (из модели "ГЕОХИМИЯ").

Алгоритмическая система модели должна соответствовать основным процессам жизнедеятельности экосистемы, в частности обусловливающим общую ее продуктивность и отражающим эффект влияния загрязнения. Она должна также воспринять основную содержательную часть важнейших экологических понятий и концепций, таких как концепции сукцессии, климакса, лимитирующих (и поэтому управляющих) факторов, взаимодействий внутри популяций и между популяциями. В математическом плане нельзя не упомянуть о целесообразности применения простейших средств теории катастроф.

Результирующая часть модели, определяющая многие ее основные свойства и особенности в плане конкретизации ее функциональной структуры, должна содержать информацию, достаточную для выводов и принятия решений, и в подходящей форме. Предлагаем использовать для этого понятие об обобщенных вещественных информационных векторах. Под последним будем понимать набор чисел, записанных в виде столбца или строки. Начальные условия и переменные состояния экосистемы, вычисленные в результате моделирования, удобно представить в виде названных векторов. Перечислим, как нам кажется, основные из них. Первый вектор плотности популяций (число особей на единицу площади):

Второй вектор плотности популяций (биомасса на единицу площади):

Вектор относительной плотности популяции (в долях от общей биомассы экосистемы):

На самом деле число популяций в экосистеме может быть столь велико, что вместо отдельных популяций придется иметь дело с группами однородных популяций.

Вектор состояния популяций (относительная оценка, изменяющаяся от 0 до 1, причем 1 - полноценность, 0 - гибель): .

Данный вектор может быть заполнен по оценкам, полученным разными способами или любым их сочетанием:

- на основании сравнения векторов плотности популяций, отнесенных к началу и концу достаточно длительного периода, для которого дается диагноз,

- по экспертным оценкам,

- в результате комплексной ревизии экосистемы достаточно большой компетентной группой специалистов разного профиля.

Порядок расположения чисел в векторах соответствует последовательности списка групп сходных популяций в экосистеме. В дальнейшем среди некоторых чисел могут оказаться нули, а сам вектор может быть дополнен (в случае выраженной сукцессии). Все векторы рационально разделить по общепринятым компонентам экологического толка - продуценты - автотрофы (зеленые растения), макроконсументы - гетеротрофы (животные), микроконсументы - гетеротрофы (бактерии и грибы).

Тем самым напрашивается введение трех векторов трофической структуры, каждый из которых состоит из трех чисел, представляющих собой относительные доли трофических групп от общего числа особей, общего числа популяций и общей биомассы в экосистеме.

В результате операции скалярного произведения векторов плотности популяций и вектора состояния популяций можно получить неплохой показатель состояния экосистемы в целом:

.

Здесь N - размерность вектора и общее число групп популяций в экосистеме.

Модель "ГЕОХИМИЯ". Есть разные определения науки геохимии. Первое, более традиционное, тесно связывает геохимию с геологией. Но в плане наших обсуждений особый интерес представляют преобразования такой традиционной науки в геохимию окружающей среды и ландшафта. В рафинированном виде такое преобразование представлено в монографии Дж.А.К.Фортескью ("Геохимия окружающей среды",1985), которая облегчила нашу задачу, т.к. идеологически оказалась близкой, а во всем остальном содержала максимальное приближение, к сожалению, к так и не сделанному шагу - созданию математических моделей геохимии ландшафта.

Фортескью настаивает на концепции целостного подхода по отношению к науке об окружающей среде и, в частности, к геохимии окружающей среды и геохимии ландшафта. Он уверен, что именно "из-за отсутствия связующих концепций многочисленные данные о распределении и количестве различных химических веществ в среде остаются лишь разрозненными фактами" и что "только рассматривая ландшафт с целостных позиций, мы в состоянии анализировать общие модели миграции элементов без тех ограничений, которые присущи таким научным дисциплинам, как экология, почвоведение, лимнология и т.д. " Фортескью полагает, что только целостный подход в состоянии превратить его науку (геохимию окружающей среды) из описательной в прогностическую, использующую имитационное моделирование.

Возвращаясь к терминологии, мы все же должны отметить, что помимо геохимии существуют две другие необходимые нам науки:

1. биохимия, как наука о молекулярных основах жизни, изучающая химию живой природы;

2. гидрохимия, как наука, изучающая химический состав природных вод.

Между тремя химиями наведены существенные и терминологические мосты, удачные и наоборот. Появились словосочетания, которые стоят в качестве книжных заглавий: биогеохимия, гидрогеохимия, геохимия природных вод. Если довести до конца тенденции слияния трех химий в рамках геохимии окружающей среды, мы готовы с энтузиазмом поддержать этот термин при условии, что геохимия будет представлять собой нечто вроде "биолитогидрохимии", т.е. химии "трех сфер". Формальных препятствий для этого нет, т.к. наши три сакраментальные буквы "гео" по смыслу вполне заменяют эту 12-буквенную коллизию. Но если уж какой-нибудь из трех составляющих геохимии предоставить первенство, то пусть это будет биохимия.

Модель должна обмениваться информацией с двумя другими элементами триады. В частности из модели "СТОК-ЭРОЗИЯ-ЗАГРЯЗНЕНИЕ" должны поступать непрерывные сведения о динамике воды и загрязнителя, а также о тепловом и водном режиме почвы. А обратно должны быть переданы сведения об изменяющихся химических и физико-химических свойствах комплексов веществ, в частности загрязнителя. С моделью "ЭКОСИСТЕМА" взаимодействие более одностороннее. Последняя в основном должна явиться потребителем, а модель "ГЕОХИМИЯ" - поставщиком информации.

Алгоритмическая система модели должна отображать химические закономерности, проявляющиеся на внутриландшафтных "траекториях" геохимических циклов (их часто называют биогеохимическими) - круговоротах химических элементов. Эти элементы могут быть подразделены на основные "рабочие" (углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор) и загрязнители (тяжелые металлы типа ртути, кадмия, меди и цинка, радионуклиды, высокотоксичные химические соединения, природные вещества в чрезмерных дозах). С другой стороны они могут быть классифицированы как мигрирующие вместе с водой и самостоятельно. В какой-то форме, видимо, должны быть отображены такие жизненно важные для экосистемы процессы, как восстановление углерода, азота и серы (гидрогенерирование) и фотосинтез. В модели должно осуществляться слежение за взаимодействием всего модельного набора мигрирующих химических веществ, особенно за превращениями моделируемого загрязнителя.

В заключение раздела (о последнем члене триады речь идет чуть ниже) подчеркнем, что между тремя модельными системами возможно взаимодействие трех видов:

параметрическое (каждая модель определяет величины некоторых параметров других моделей),

обмен информацией о переменных состояния,

3. имеется общий выход за пределы территории (сток воды, наносов, биоты, химических веществ и, в частности, загрязнителя).

И, наконец, для всей триады желателен единый расчетный интервал времени, наиболее оптимальный - суточный.

Для удобства, целесообразную моделирующую систему, прообраз которой вроде бы уже вырисовывается, условно назовем латинским "TRIVIUM".

Модель "СТОК-ЭРОЗИЯ-ЗАГРЯЗНЕНИЕ"

Последней, а может быть генетически и первой, частью нашей триады является модель "СТОК-ЭРОЗИЯ-ЗАГРЯЗНЕНИЕ". Интересно, что эта модель тоже тройственна, что и доносится до читателя самим ее названием.

Когда речь идет о загрязнении окружающей среды, то гидрологи в первую очередь считают, что к сфере их интересов относится загрязнение воды в водоемах и водотоках. Такой подход влечет за собой и ограничение круга экосистем, вовлекаемых в орбиту гидрологии. Это - речные, озерные и болотные экосистемы. На самом деле главными объектами внимания гидрологии окружающей среды должны стать ландшафты, а, следовательно, и речные бассейны, другими словами - вся территория суши. Что же касается рек, озер и болот, то они являются естественными частными элементами последней.

Поскольку любая динамика загрязнителя определяется исключительно динамикой воды в пределах бассейна, то роль моделей формирования стока на экологической службе представляется исключительной. Сказанное не противоречит представлениям о роли воздушного переноса загрязняющих веществ, но будем его рассматривать как поставщика загрязнителя к речным бассейнам.

Утверждение о тесной взаимосвязи процессов формирования стока и загрязнения определяет необходимость их совместного математического описания. В принципе проблема должна ставиться еще шире: необходимо постулировать единство процессов формирования стока, эрозии и двух видов загрязнения, различающихся по форме взаимоотношения воды и загрязнителя. Различие это очевидно, и оно диктуется степенью растворимости загрязнителя в воде.

Перспективы

Для решения экологических проблем необходима новая по способам решения междисциплинарная работа. Она должна иметь свойства прикладной координационной науки, сочетающая методы и выводы ряда отраслевых наук о Земле. Она должна иметь общую терминологию. Необходимо отыскать новые направления поиска, если нет приемлемых результатов в рамках привычных подходов. Этой координационной науке можно оставить уже прозвучавшее название - "наука об окружающей среде".

Для решения проблемы процессов загрязнения речных бассейнов и их динамики необходима методология науки об окружающей среде. Центральная задача - дать комплексную оценку нынешнего и прогнозируемого на будущее экологического состояния какой-либо территории в связи с ее загрязнением токсичными химическими веществами. Эта задача может быть осложнена и расширена в отношении необходимости управления процессами, происходящими на этой территории и, в первую очередь, процессами загрязнения и восстановления.

В наши дни эту задачу может решить математическое моделирование с помощью создания математического модельного комплекса. Самой оптимальной является модельная система TRVIUM описанная в предыдущей главе. В рамках этой модели должны быть решены проблемы объединения загрязняющих веществ под общее понятие "загрязнитель". Должны быть разработаны способы взвешенного осреднения параметров, учитывающие адсорбционную активность отдельных составляющих смеси веществ, а также их количественные соотношения. Решение этой задачи, а также получение выводов о степени повышения токсичности загрязнителя в результате неизбежных химических реакций или, наоборот, его деградации или обезвреживания, должно быть проведено в рамках модели "ГЕОХИМИЯ" нашей триады.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы были сделаны следующие основные выводы.

1. Загрязняющие вещества именуемые не иначе как "загрязнитель" стекающие по речному бассейну делятся на многие группы описанные в главе 2 "Классификация загрязняющих веществ", особо опасными являются по обязательной программе ОГСНК широко распространенные: нефтепродукты, СПАВ, фенолы, пестициды, соединения металлов.

2. Методология оценки загрязнения речного бассейна требует разработки наиболее рациональных методов, которые могут быть получены с помощью математического моделирования. Наиболее рациональной моделью на данный момент является "TRIVIUM"

3. В современное время природопользование имеет колоссальные проблемы, для решения этих проблем нужна координационная наука способная комплексно оценить ситуацию и предложить адекватные методы по их устранению. Местом действия этой науки является ландшафт, а в связи с особым удобством выделения границ, удобнее пользоваться речным бассейном. Для оценки загрязнителя речного бассейна удобно пользоваться рационально модельной системой TRIVIUM состоящей из трех подсистем: "Экосистема"- "Геохимия- "Сток- Эрозия- Загрязнение" описанной в главе 3 (Экологические проблемы в гидрологии).

В связи с полуучеными выводами следует то, что современная наука пока не может полностью оценить экологическую ситуацию, но в недалеком будущем при правильной работе руководящего аппарата и введении новых методологических подходов я надеюсь что проблема оценки загрязнения окружающей среды будет решена.

Список литературы