История искусства Энергетика Локальные компьютерные сети Начертательная геометрия и инженерная графика Курс физики Задачи примеры решения Математика лекции и примеры решения задач Электротехника расчет цепей Информатика
Методы математического моделирования экологических систем

Введение в экологию энергетики

Массовое замещение углеводородных энергоносителей на рассматриваемом промежутке на современном уровне технологии возможно за счет строительства новых гидро- и атомных электростанций, а также за счет развития биоэнергетики.

Взаимосвязь экосистемы со средой и пределы толерантности воздействий

Вся история становления экологии свидетельствует о важности и постоянном интересе исследователей к оценке воздействия среды на биоценотические компоненты экосистем.  Среди стрессоров окружающей среды Р. Шуберт [1986] выделяет три группы:

биотические факторы среды (паразитизм, инвазии, хищничество, конкуренция);

природно-климатические факторы (солнечная активность, водность, температурный режим, ветер, давление)

антропогенные стрессоры (химическое загрязнение, радиационное излучение, рассеяние тепловой энергии, шум, рекреация и проч.)

Для антропогенных стрессоров принято использование термина «загрязнение» – введение в окружающую среду материалов или энергии, которые могут нанести ущерб жизненно важным ресурсам или экологическим системам, или вызвать нарушения при их использовании [Manahan, 1994]. Более точным нам представляется определение, данное Н.Ф. Реймерсом [1990]: «Загрязнение – привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде, нередко приводящее к негативным последствиям». Здесь подчеркивается тот факт, что, в большинстве случаев, загрязнение связано не с синтезом новых химических веществ (по крайней мере, на уровне химических элементов), а к их перемещению из одной точки пространства в другую. Например, концентрация меди в почве в районах ее промышленных месторождений может значительно превышать установленные нормативы, однако, будучи, перемещенным в другое место, медный колчедан сразу начинает приобретать статус "загрязнение".

К приведенным определениям следует добавить несколько уточнений: Китайский синдром: что происходит на самом деле На рис. 6.4 изображена полная схема защитной оболочки для PWR. В случае плавления активной зоны, проникновения ее через корпус реактора, через пространство под корпусом и, в конце концов, через бетонное основание, бассейн с расплавом будет продолжать выделять тепло, поэтому интересно рассмотреть, что будет с ним при этом происходить.

действие большинства загрязняющих факторов, зависит от уровня воздействия, а в некотором диапазоне "доз" эти действия не только безвредны, но и жизненно необходимы как для всей системы, так и для отдельных ее компонентов (например, такие микроэлементы как Cu, Cd, Ni и др.);

должен быть подчеркнут обязательно "экосистемный" характер ущерба, поскольку нельзя назвать "загрязнением" негативное действие фактора на некоторые не ключевые подсистемы при общем позитивном характере влияния на остальные опорные узлы;

само по себе действие фактора может проявляться не прямо, а опосредовано через другие факторы (например, обогащение водных экосистем биогенными элементами приводит к экстенсивному росту растительности, которая является субстратом, убежищем и пищей для прочих организмов; однако, параллельно этому начинаются негативные процессы, характерные для эвтрофных условий: замутненность воды, дефицит солнечной энергии и растворенного кислорода и проч.)

Совокупность закономерно связанных факторов среды, воздействующих на компоненты биоценоза, называют комплексным градиентом (англ. сomplex gradient). При этом сформулированы следующие основные положения факториальной экологии [см., например, Розенберг с соавт, 1999]:

«жизнедеятельность организма зависит от того ресурса, количество которого минимально» (закон минимума Либиха);

«стресс организма зависит от того фактора, вредное действие которого максимально» (закон лимитирующего фактора Шелфорда);

«любой фактор имеет экологический минимум и экологический максимум», диапазон между которыми называется «пределами толерантности»;

организмы могут иметь широкий диапазон толерантности в отношении одного фактора и узкий в отношении другого, причем организмы с широким диапазоном толерантности ко всем факторам наиболее распространены;

при постоянных субкритичных нагрузках фактора пределы толерантности у организмов могут расширяться под действием эффекта адаптации (хотя иногда проявляется и эффект обратного свойства);

действие одного фактора может сильно расширять или, наоборот, сужать пределы толерантности другого фактора (закон взаимодействия факторов).

Действие произвольного фактора среды Х на любой экологический показатель Y, который принимается за оценку качества всей экосистемы, традиционно описывается некоторым подмножеством математических формул, из которых наиболее популярны следующие зависимости (см. примеры на рис. 2.2):

линейная зависимость – наиболее удобная для расчетов и интерпретации, к которой исследователи стремятся свести каждую найденную закономерность, но, к сожалению, чрезвычайно редко встречающаяся в реальном мире;

экспоненциальная зависимость, на которой основана бóльшая часть фундаментальных законов теоретической физики, поскольку она "по совместительству" является классическим уравнением кинетики 1-го порядка;

логистическая (сигмоидальная) зависимость, которую можно считать усложненной моделью кинетики первого порядка для наиболее правдоподобного описания процессов биотрансформации и перемещения чужеродных веществ в экосистемах;

релаксационно-колебательная зависимость, когда действующий фактор носит залповый характер (например, периодически повторяющихся импульсов);

степенная зависимость Y = a0 X k ;

полиномиальная зависимость Y = a0 + a1 X + a2 X 2 + a3 X 3 + … + an X n , обеспечивающая качественную интерполяцию широкого набора различных экстремальных и полимодальных зависимостей.

Например, реакция экосистемы на действие фактора по логистической модели (правее диапазона толерантности) состоит из четырех последовательных фаз:

а) фазы активного сопротивления всей системы за счет внутренних ресурсов,

б) фазы экспоненциального "выбивания" слабых звеньев, когда ресурс, поддерживающий устойчивость экосистемы, исчерпывается,

в) фазы роста адаптационных процессов в системе, противодействующих влиянию фактора,

г)  и, наконец, фазы стабилизации, когда "выжившие" компоненты экосистемы воспринимают установившийся уровень фактора в пределах своего диапазона толерантности

Информационное описание экосистем: показатели, «индексы» и шкалы их измерения "Систематика" экологических показателей Статистическая постановка задачи экологического мониторинга предполагает, что наблюдается некоторое множество экологических состояний. Оно может содержать как различные состояния одного объекта, так и состояния разных объектов, соизмеримых между собой в количественном отношении.

В настоящее время только для мониторинга пресноводных водоемов по зообентосу применяется свыше 60 методик оценки экосистем

В зависимости от того, в каких шкалах измерены данные, репрезентативная теория измерений, основные понятия и применения которой рассматриваются в обзорах [Стивенс, 1960; Орлов, URLа,б], определяет круг возможных арифметических операций над этими числами. Например, имея отметки учащихся как один из видов экспертного оценивания, вряд ли кто-либо будет утверждать, что знания отличника равны сумме знаний двоечника и троечника (хотя 5 = 2 + 3), в то время как в экологических методиках подобные операции в интервальных шкалах – не редкость.

В течение прогнозируемого периода межрегиональная торговля нефтью и газом будет быстро увеличиваться на фоне растущего дисбаланса между собственным производством и спросом во всех крупных потребляющих странах. Объем торговли нефтью в 2006-2030 гг. вырастет на 58,5%, импорт нефти Китаем и Индией - в 3,5 раза. Это делает обеспечение надежных поставок в необходимом объеме важнейшей задачей, а их срыв - ключевым риском.
Взаимосвязь экосистемы со средой