автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка принципов моделирования лесных экосистем и управление ими в условиях антропогенного воздействия

т5 Ой

. 8 ль» «»

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

МИНЕЕВА НАТАЛЬЯ ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ И УПРАВЛЕНИЕ ИМИ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

05.13.01.- Управление в технических системах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г.Братск -1998 г.

Работа выполнена в Братском индустриальном институте

Научные руководители доктор технических наук, профессор

Мартыненко Олег Петрович кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Рунова Елена Михайловна

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Елисеев Сергей Викторович кандидат технических наук, доцент Попик Виталий Александрович

Ведущая организация Ангарское опытно-конструкторское быро

автоматизации

адрес 665821, Ангарск, Иркутской области, а/я 423

Защита состоится 15 декабря 1998 г. на заседании диссертационного Совета при Братском индустриальном институте

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Братского индустриального института и Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта

Автореферат разослан 6 ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м.н., доцент / С.В.Белокобыльский

1. Общая характеристика диссертационной работы.

1.1.Актуальность работы.

Результатом все усиливающегося техногенного воздействия на природу и [еловека является возникновение зон чрезвычайной экологической ситуации. )дной из таких зон является г. Братск, где экологические проблемы начали »ешаться в конце 80-х годов, когда были проведены основные научно-[сследовательские работы по оценке воздействия источников загрязнения на фиродную среду и здоровье населения.

Сложившаяся экологическая ситуация в Иркутской области и, в частности, в г. ¡ратске потребовала принятия срочных мер. Постановлением Правительства РФ от 3 апреля 1994 г. № 376 одобрена "Федеральная целевая программа неотложных 1ер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-эпидемиологической Остановки и здоровья населения г. Братска ".

На сегодняшний день в г. Братске создано региональное отделение научно-[сследовательской организации - Экологическая академия России. Одним из сновных задач этого отделения являются: прикладные исследования по здоровлению окружающей природной среды; разработка принципов создания гониторинговой системы состояния окружающей среды; рациональное риродопользование и возможность управления функционированием зоны резвычайной экологической ситуации.

В условиях постоянно возрастающего напряжения во взаимодействии человека с кружающей его средой обитания решение проблемы организации эффективной истемы мониторинга природной среды становится важнейшим фактором стойчивого развития региона. Задачи наблюдения, анализа и принятия ациональных решений в сфере антропогенных и природных воздействий на среду битания требуют коренного совершенствования и поиска новых средств и методов нформационного обслуживания органов управления в целях выработки ими птимальных решений по эксплуатации возобновляемых ресурсов и инженерных етей и сооружений региона.

Накопленный опыт разработки логико-математических моделей позволяет ринять решения по использованию природных и техногенных ресурсов, рогнозированию экологической ситуации. Эффективно действующая система ониторинга окружающей среды позволит решить ряд наиболее типовых задач егиона:

выдача данных о текущем экологическом состоянии территории (данные о гепени истощения экосистем в целом, данные о состоянии всех основных омпонентов экосистем - почв, растительности, вод);

прогнозирование экологического состояния территории при тех или иных видах нтропогенного воздействия (оценка последствий для окружающей среды |ункционирования существующих объектов промышленности; оценка ромышленного производства на экологическую ситуацию; оценка средне- и

долгосрочных экологических последствий крупных аварий; прогнозирование возникновения кризисных ситуаций, обусловленных длительным накоплением воздействия на природную среду).

Таким образом, экологический мониторинг есть система наблюдений на изменения состояния среды, вызванными антропогенными причинами, которая позволяет прогнозировать развитие этих изменений. Кроме наблюдений мониторинг включает эксперимент и моделирование как основу прогноза и управления.

Объектом прикладного экологического мониторинга является фиксация изменений и прогноз важных с точки зрения полезности показателей биоты. Для того, чтобы зафиксировать и предсказать эти изменения, необходимо, с одной стороны, осуществление широкой программы экспериментальных высокочувствительных оценок параметров, определяющих чувствительность к загрязнению и, параметров, определяющих взаимодействия отдельных звеньев экосистемы и, с другой - разработка универсальных, достаточно детализированных моделей экосистем, позволяющих вычислять отклики экосистемы на изменение абиотической среды.

Задача прогнозирования и мониторинга состояния лесных территорий выявила необходимость разработки схемы алгоритма для выработки управляющих воздействий на систему. Такая схема должна хранить данные, получаемые наземными средствами, производить их взаимоувязку и первичную обработку, а затем и последующее регулирование качества прироста лесных массивов и позволять прогнозировать развитие лесных территорий на насколько десятилетий.

Прогнозирование и мониторинг состояния лесных массивов способны решить проблему охраны окружающей среды, улучшить экологическую обстановку в регионе, регулировать хозяйственные воздействия на лесные экосистемы.

1.2.Цель диссертационной работы;

Разработка и обоснование метода моделирования сложных многосвязных объектов, основу которого составляет единый методологический подход -представление модели объекта в виде топологической структурно-функциональной модели.

Выявление взаимосвязей параметров и обоснование выбора главных компонент, которые оказывают основное влияние на лесные экосистемы. Анализ основных факторов функционирования многосвязного объекта идентификации и определения по выбранным критериям неизвестных компонент, определяющих состояния лесных массивов.

Разработка формализованного метода описания исследуемой системы управления с помощью структурного графа.

Нахождение зависимостей сезонной и разногодичной динамики прироста, установление периодов критического состояния деревьев, получение кривых хода роста в зависимости от антропогенных воздействий в разные периоды времени.

Исследование влияния промышленных выбросов на динамику деградации лесных массивов, прогнозирование состояния леса.

По измеренным параметрам главных компонент определение показателей ачества прироста лесных массивов.

На основании модели антропогенных процессов в лесных экосистемах азработать метод прогнозирования состояния лесных массивов, который позволит азработать алгоритм управляющих воздействий на техногенные объекты с целью редотвращения загрязнения окружающей среды.

1.3. Метод исследования:

При разработке метода идентификации многосвязного объекта использованы [етоды теории систем управления, методы теории, графов, методы статистического юделирования и первичной обработки данных, матричного исчисления, опологии. Результаты работы получены с помощью компьютерных программ Microsoft Excel 7.0. для Windows 95 и Simple Formula.

L.4. Научная новизна и вклад исследования в разработку проблемы.

Модель природной экосистемы предлагается рассматривать как модель системы тфавления;

На основании данного подхода разработан формализованный метод щентификации многосвязного объекта на примере исследования лесных массивов, соторый дал возможность обобщить и проанализировать основные факторы функционирования объекта. Указанный метод идентификации разработан согласно щгоритму, состоящему из последовательных этапов построения модели: функциональная схема - структурная схема - С-граф - матричная модель, построена топологическая модель лесных массивов. Прикладной результат решения проблемы шеет важное экологическое значение, которое позволяет судить о состоянии лесов з регионе и осуществляет ряд мер по снижению техногенных воздействий, также тозволяет сделать прогноз состояния лесных массивов в будущем с учетом указанных воздействий и реконструкции поврежденных древостоев.

Разработан принцип построения топологической модели многосвязного объекта то характеристикам наблюдаемых состояний системы.

Решены частные вопросы, возникающие при реализации данного метода: использование метода преобразования блочных матриц позволяет целесообразно эсуществить обоснованный выбор координат наблюдения,

Предложен способ построения системы мониторинга прогнозирования лесных массивов.

Разработаны рекомендации, по выявлению критериев оценки состояния лесных массивов, подверженных техногенным нагрузкам.

Получены кривые хода роста в зависимости от антропогенных воздействий в разные периоды времени, разработан алгоритм прогнозирования состояния лесных массивов в условиях антропогенных воздействий и алгоритм обработки данных для прогнозирования. Предложена структурная схема мониторинга леса.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

Исследование сложных многосвязных систем большой размерности являете чрезвычайно трудной задачей, а необходимость моделирования подобных систе? все время возрастает.

1. Для объекта со множеством взаимосвязанных параметров разработан метод позволяющий объективно, формально выбрать и обосновать ряд параметров определяющий заданную точность модели на основе топологической модел] структурно-функционального представления объекта.

2. Постановка общей задачи анализа основных факторов функционировании многосвязного объекта идентификации, отличающаяся от известных постаново] возможностью определения неизвестных компонент, определяющих качестве прироста лесных массивов.

3. Метод формализации описания структурно-параметрического анализ; системы управления, который включает:

- способ представления модели системы с помощью структурного графа (С-граф);

- метод записи уравнения системы в матричной форме в виде уравнения компонент системы [В], уравнения структуры [А] и общего уравнения системы [А*В*Хвх]=0;

- способ понижения порядка матричного уравнения, который в значительной степени сокращает размерность пространства состояний и объем вычислений.

4. Метод идентификации объекта управления на основе топологической модели позволил: - обосновать минимальное число наблюдаемых параметров объекта;

- провести априорную идентификацию компонент исследуемого объекта;

- разработать алгоритм прогнозирования процесса деградации экосистем и управление объектом.

1.5. Практическая ценность.

Ценность работы состоит в разработке нового метода моделирования многосвязных объектов, позволяющего исследовать лесные массивы крупного промышленного узла, выявить влияние техногенных выбросов на лесные экосистемы и их деградацию, разработать конкретные мероприятия по уменьшению антропогенных выбросов, приостановление деградации древостоев: улучшению качественного состояния лесных массивов, восстановлению поврежденных и угнетенных лесных экосистем, тем самым изменяя экологическую обстановку в регионе.

Исследования автора выполнялись согласно научному направлению Братского индустриального института: " Теория, методы и средства автоматизации систем переработки информации и управления", по госбюджетной теме: " Топологические методы идентификации и синтеза систем управления многосвязными объектами" (Код ГАСНИ 10В02).

Результаты работы являются теоретической основой при решении задач экологической безопасности г. Братска, проводимых согласно постановлению Правительства РФ от 23 апреля 1994 г. № 376 "Федеральная целевая программа

геотложных мер по улучшению состояния окружающей среды, санитарно-псологической обстановки и здоровья населения г. Братска".

Настоящие исследования позволят повысить эффективность процесса формирования и управления функционирования зоны чрезвычайной экологической :итуации, какой является г. Братск.

1.6. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технической :онференции Братского индустриального института (БрИИ) (19 - Братск, 1998г.), на гаучно-исследовательской конференции Иркутского института инженеров келезнодорожного транспорта (Иркутск, 1998г.). Была представлена экспозиция >рИИ в Англии, апрель 1994 г. по темам - "Разработка методов управления юздушных бассейнов промышленных зон городов", "Прогнозирование прироста [еса в результате промышленного воздействия на биосферу"; в Сеуле (Корея, [екабрь 1994 г.) - по теме "Организация экологического мониторинга в зонах фомышленных выбросов (система управления экологическим состоянием оздушного бассейна промышленных городов) ". Результаты работы кспонировались на: выставке-ярмарке " Сиблесопользование - 96 " (октябрь 1996 .), на выставке-ярмарке-семинаре в г. Иркутске (июнь 1995 г.), на Братской ■ниверсальной ярмарке (декабрь 1996г.).

1.7. Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в их числе 4 статьи, 2 тезиса ;окладов.

1.8. Структура и объем диссертационной работы.

Диссертация состоит их введения, четырех глав, заключения, списка литературы 157 названий) и приложений. Она изложена на 170 страницах основного текста, 0 рисунков, 10 таблиц, 2 приложений.

2. Содержание работы

.1. Во введении представляется актуальность темы диссертации, поставлены цели : задачи исследований. Дается анализ методов математического моделирования, рименяемых для исследования структуры и динамики лесных сообществ, роанализированы работы исследователей, моделирующих антропогенные зменения в лесных экосистемах. Также рассматривается актуальность данной аботы, определена научная и практическая ценность работы, ее новизна, область рименения.

2.2. Первая глава отражает анализ экологического состояния Иркутской области указывает на необходимость оценки состояния лесных массивов из-за остро! экологической обстановки, сложившейся в индустриальных районах Сибири.

В данной главе рассматривается постановка задачи: основными проблемам! антропогенной экологии леса является изучение особенности экологической среды формирующейся под влиянием антропических факторов: изменений структуры динамики и взаимодействия компонент, трофических связей, особенносте! материально энергетического объема в разных типах леса, изучение I моделирование закономерностей антропической трансформации лесны; биогеоценозов.

В данной главе приводится характеристика г. Братска как крупной промышленного узла Восточной Сибири, в котором расположены более 40 крупны? и мелких промышленных предприятий, из которых основными загрязнителям! являются: АО "Братский лесопромышленный комплекс", АО "Братски! алюминиевый завод", предприятия теплоэнергетики: "Северные тепловые сети " АО " Сибтепломаш ", Иркутские ТЭЦ - 6, ТЭЦ - 7. В связи с близю» расположением промышленных предприятий друг к другу происходит перемешивание пылегазовых выбросов, что осложняет определение доли каждогс предприятия в загрязнении окружающей среды. Но не смотря на это, все ж( возможно это сделать с определенной степенью достоверности.

В работе рассматриваются характеристики антропогенных загрязнителей экологические последствия техногенных выбросов на состояние древесных пород Приводятся диаграмма суммарных выбросов загрязняющий веществ сп стационарных источников промышленных предприятий, графики значеню выбросов и средних концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе Обсуждается качественное состояние лесных сообществ и их реакция нг токсические компоненты пылегазовых выбросов предприятий (продуктивность древостоев, прилегающих к источникам эмиссий, признаю: поражения, устойчивость лесных массивов по мере удаления от источшш выбросов). Отмечаются масштабы поражения растительного покрова г катастрофические последствия действия концентраций вредных веществ, особенно в зонах экстремального и очень сильного воздействия. Это дает представление о? общей картине массового поражения лесов, занимающих значительные пространства.

В результате анализа особенностей деградации лесных сообществ в условия? длительного воздействия промышленных эмиссий ставится задача разработан принцип моделирования лесных экосистем в зонах антропогенного воздействия.

В заключении первой главы сформулированы основные выводы и обоснован; необходимость разработки математической модели состояния леса с целые разработки системы мониторинга и управления экосистемой лесных массивов.

Во второй главе предложен способ моделирования состояния лесных систем Подробный анализ способов моделирования многосвязных систем показал, чте существующие математические модели, формы их представления и методы получения характеристик объекта, для сложных многосвязных систем, несут не

полную информацию о нем, которая определяется характером функционирования объекта и требованиями к качеству модели.

Имеется ряд работ, в которых отражены разные аспекты соответствующих математических моделей. В настоящей главе предпринята попытка проследить этапы развития „ моделирования экосистемного уровня с учетом влияния окружающей среды. Приведенный в этой главе анализ показал, что исследование биопродуктивности древостоев рассматривается лишь на основе множественного регрессионного анализа.

Однако, многокомпонентность строения таежных фаций и многообразие их связей обусловливают сложную временную структуру экосистем. Особый интерес для выявления причин, лежащих в основе формирования различных временных структур, представляет исследование связей состояний отдельных компонентов экосистемы с учетом их временной рассогласованности. Описание таких связей в точной количественном выражении делает возможным построение долгосрочного прогноза поведения системы. Анализ временной структуры и влияние состояний компонентов экосистемы в различные моменты времени позволил дать прогнозы поведения лесных сообществ в данный момент времени, в прошлом и в будущем.

Далее в работе ставиться цель математического описания прироста древесных систем во времени с учетом влияния параметров метеоусловий и антропогенных воздействий; исследование влияния промышленных выбросов на динамику деградации лесов, прогнозирование влияния экологических и биогеофизических условий на качество прироста леса с течением времени. Поставленная цель должна дать возможность определить и объяснить степень устойчивости растений к техногенному воздействию, негативных эффектов влияния промышленных выбросов на растительность, которые возникают в результате прямого воздействия загрязняющих воздух веществ.

В разделе 2.2. обосновывается дальнейшая разработка топологического метода моделирования по следующим причинам. Исследование сложных многосвязных систем большой размерности является чрезвычайно трудной задачей, а необходимость моделирования подобных систем все время возрастает. В математических моделях сложных систем следует использовать информацию о лруктуре объекта, так как именно структура во многом определяет характер функционирования исходного объекта. Структурные схемы можно рассматривать как топологические объекты, однако в математическом отношении они менее совершенны, чем графы. В этой главе рассматривается С-граф, поскольку он дает эолее полную картину структурной схемы системы, вЬщеляя функционально эсновные структурные элементы. Это важное свойство функционального значения з структурной схеме закладывается в математическую модель системы. Указанный -раф позволяет описать структуру системы без конкретизации характера операторов. Это свойство дает возможность использовать граф на первом этапе моделирования в качестве графического представления структуры объекта. Здесь ке дается идентификация элементов структурной схемы с элементами С-графа, Цанное разделение узлов на типы и сведение с помощью правил преобразования к грем видам необходимо для реализации формализованной методики построения латематической модели объекта по С-графу.

В разделе 2.3. предлагается разработка структурной схемы на основе системного анализа лесной системы.

В общем виде процесс поражения растительности промышленными выбросами в атмосферу рассматривается из концепции единства биологической и геофизической сторон явления, то есть процесс является биогеофизическим. В общем виде прогностическая модель поражения растительности может быть представлена как сложная система множества параметров, состояние которой можно описать функцией:

F(y,t)=f( y,(t), y2(t),... y,(t), A(t) ), (1)

где yj (t) - текущее значение параметров состояния контролируемой области;

A(t) - результаты антропогенной деятельности. Для системы они являются возмущающими факторами.

Среди параметров, характеризующих состояние системы выделено три группы факторов:

1. Метеорологические: Р - давление воздуха и его пространственное изменение -grad Р; Т - температура воздуха и ее пространственное изменение - grad Т; А -влажность; Кт - коэффициент турбулентности; Vz - скорость подъема воздуха; Vxy -скорость горизонтального перемещения воздуха.

2. Геофизические: Е - напряженность электростатического поля; I - полный вертикальный ток; р -проводимость воздуха; у - уровень радиоактивного фона; G -состояние геосистемы района.

3. Компоненты пылегазовых выбросов: фтористый водород (HF), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2, S03), хлор (Cl), сульфат натрия (Na2S04), окись углерода

(СО), твердые фториды.

Взаимодействие данных параметров указано в таблице № 1. Исходя из указанной таблицы построена функциональная схема воздействия параметров на качественное состояние лесных массивов ( рис.1). Выходным параметром лесной системы был выбран параметр В, который характеризует состояние лесных массивов, (объемный прирост леса), за период с 1976 по 1995 г.г. В данной модели выбраны наиболее существенные связи, хотя связь между параметрами более сложная. Наиболее существенные связи были выбраны с той целью, чтобы размеры матрицы модели были не очень большими, так как влияние различных химических составляющих Г, (аэрозоли, газы и аэроионы) возможно расширить, а это только изменит размеры матрицы модели, не меняя сущности методики.

Последующие преобразования модели проводились следующим образом: на основании функциональной схемы (рис.1) строилась структурная схема связи параметров. Она явилась основой при моделировании лесных систем. Структурная схема дает возможность определить какие сигналы являются входными и выходными для каждого оператора системы. В дальнейшем структурная схема системы моделирования, при помощи узлов 1, 2, 3-го рода, может быть сведена к С- графу (рис. 2).

Элементы структурной схемы \У] - \¥30 - есть передаточные функции операторы).

Таким образом, в данной главе описан метод исследования лесной системы как ложной Связной системы взаимодействия множества параметров. Далее рассматривается модель системы, учитывающая связь этих параметров, и на 1Снове этой модели методом структурных графов получено матричное уравнение, 'Писывающее состояние лесного массива в районе воздействия промышленных ыбросов.

В заключении второй главы сделаны выводы по данной главе диссертационной аботы.

8 третьей главе предложена разработка методики прогнозирования прироста есных массивов и дается анализ основных результатов исследования.

На первом этапе, в пункте 3.1. проведена разработка топологической модели [ногосвязного объекта, описано матричное представление С-графа и методика аписи по этому графу системы уравнений в матричной форме. Описанная система равнений и есть математическая модель объекта. Математическая модель системы остоит из трех матиц: матрицы компонент В, матрицы структуры А и матрицы ходных переменных Хвх-Матричное уравнение системы имеет вид:

[А*В*ХВх ] = 0 (2)

'равнение (2) полностью отражает функциональную зависимость компонент в труктуре и позволяет представить процесс получения данного уравнения из тдельных детерминированных простых этапов анализа С-графа. В матричном виде система уравнений компонент графа имеет вид:

X = В*Хвх» (3)

де X - матрица-столбец сигналов графа, В - матрица операторов системы, Хвх - матрица-столбец входных сигналов графа.

Второе матричное соотношение представляет собой уравнение структуры графа имеет вид:

А*Х = 0 ' (4)

де А - матрица структуры графа, X - матрица-столбец сигналов графа.

Подставляя значение X из уравнения (2) в уравнение (3) формируется основное атричное соотношение, полностью описывающее граф (матричное уравнение С-

рафа):

А*В*Хвх = 0 (5)

ли Н*Хвх = 0 (6)

це Н = А * В (7)

Уравнение (5) полностью дает представление о структуре графа, так как I уравнении (3) записаны уравнения узлов, которые соответствуют узлам суммирования и ветвления.

Уравнение (б) есть матричное уравнение системы, в котором в качестве параметров представлены операторы - то есть передаточные функции

системы, которые, в свою очередь отражают парное взаимодействие парам етроь системы. Переменные XI имеют соответствующий физический смысл.

Матричное уравнение (7) можно представить в виде блочных подматриц:

Н! н2 х,

Л

Нз Н4 _Х2_

= О

(8)

Согласно формулам умножения подматрицы Н), Н2, Нэ, Н4, Хь Х2 можно считать составными элементами и записать следующую систему:

Я, * X, + Нг * Х2 = О Н3* Х1 + Н4* Хг =0

(9)

Исключив из данной системы параметр Х2, имеем:

(Н3 - Н^Нг'1 *Н1)*Х1 = 0 (10)

где Н2-1 - матрица, обратная Н2

Условием решения уравнения (10) будет существование квадратной блочной матрицы Н2 с отличным от нуля определителем: с!е1 Н2 * 0.

Для сокращения объема вычислительных операций произведено понижение порядка матричного уравнения:

Нз -Н4*Н'12*Н1=0 (11)

Данная формула может быть использована как для отдельных переменных, так и для исключения векторов или групп векторов переменных матрицы, а также выполнения основных операций над матрицами, что в конечном итоге позволяет исключить из рассмотрения часть переменных X.

В качестве критерия оценки качества лесных массивов контролировались те факторы, которые являются наиболее характерными факторами состояния леса и те, которые наиболее негативно влияют на прирост стволовой древесины. С учетом этих условий, данные сведены в таблицу 2.

Полученное матричное уравнение системы содержит 20 передаточных функций 28 переменных величин (параметров).

Полученная математическая модель системы является основой для проведения эксперимента с целью обоснования требований к точности модели, разработки методики эксперимента.

Используя методику структурного синтеза на основе С-графа формально (3) представлена модель в виде классической записи регрессионной модели:

где У - выходная величина;

X).входные переменные; B| - неизвестные коэффициенты регрессии. Матричное уравнение вектора неизвестных коэффициентов регрессии позволяет по известной матрице X и столбцу Y отыскать столбец В коэффициентов регрессии по методу

яаименьших квадратов (МНК):

В = (Хт X)"' Хт Y (13)

Таким образом, согласно формуле (13), для вычисления столбца коэффициентов регрессии В надо выполнить следующие операции:

транспонировать матрицу X; полученную в результате матрицу Хт следует умножить на матрицу X; от полученной матрицы ХТХ взять обратную; найденную матрицу (ХТХ)-1 надо умножить на Хт, а результат - на столбец Y. Формула (13) цает в матричной записи алгоритм получения и решения системы нормальных уравнений.

Все вычисления, связанные с преобразованием матриц в соответствии с уравнением (15), проводились на ЭВМ с использованием программы Microsoft Excel 7.0 для Windows 95. Главным преимуществом этой программы является обработка квадратных матриц, а функции рабочего листа данной программы предназначены для ускорения и облегчения расчетов, для вычисления математических функций, а также для статистических и прогностических расчетов. Используемая программа дает возможность построения диаграмм, графиков и представить обработанную информацию наглядно и понятно. В третьей главе обосновывается метод временного прогнозирования модели качества лесного массива.

Исследование связей состояний отдельных компонентов геосистемы обусловливают их сложную временную структуру. Описание этих связей дает возможность построения прогноза поведения геосистемы в различные моменты времени.

Значениям параметров геосистемы соответствуют определенным моментам времени и поэтому можно построить графики динамики этих параметров.

Характеристики состояний компонентов геосистемы связаны аллометрическими соотношениями с временным смещением:

£1

xl(t+r,i)=x;j(t), ■ (15)

где rva„aj-параметры, характеризующие временную структуру; (/ + rs)- момент времени.

Состояние геосистемы в будущем по состоянию других компонентов в прошлом имеет вид:

- Таблица 1

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПАРАМЕТРОВ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ СОСТОЯНИЕ СИСТЕМЫ

1 Е I р т А Уху Уг в р ю р т г кот) Г2(Н28) Г3(802) Г4(С1) Г5№ 804) В

0 - - - - - - - - - - + - - - - - - - -

Е - 0 + - - - - - - - - - - - - - - - - - -

I - + 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

- + + 0 - - - - - - - - - - - - - - - - -

- - - + 0 - - - - - - - - - - - - - - - -

^гас1Р - - - - - 0 - - + + - - - - - -

йгас!Т 0 - + + - - - - - - - - - - -

А 0 + + - - - - - -

Уху 0 - + - + - - - - - - - -

Уг + 0 + - + - - - - - - - +

в - - - + - - - - - - 0 - - - - - - - - - -

Б - - - + - - - - - - + 0 - - - - - - - - -

Ю - - - - - - - - - - - - 0 - - - - - - - -

Р - - - + - - - + - - - - - 0 + - - - - - -

Т - - - + - - - + - - - - - + 0 - - - - - -

Г1(НР) - - - - - - - - - - - + - - - 0 - - - - -

Г2(Н28) - - - - - - - - - - - + - - - - 0 - - - -

ГЗ(Б02) - - - - - - - - - - - + - - - - - 0 - - -

Г4(СЬ) - - - - - - - - - - - + - - - - - - 0 - -

Г5(Ка2804) - - - - - - - - - - - + - - - - - - - 0 -

В - - - - - 0

Принятое обозначение: +,- направление воздействия параметра на параметр

<„йге

фториды)

Рис.1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ВОЗДЕЙСТВИЯ ПАРАМЕТРОВ

НА СОСТОЯНИЕ ЛЕСНЫХ МАССИВОВ

Преимущества такого метода прогноза состоит в том, что необходимо знать только состояние какого либо компонента. Для выбора этого компонента необходимо рассмотреть ряд известных компонентов, представленных в таблице 1, которые оказывают существенное влияние на состояние геосистемы в дальнейшем.

Результаты оценки влияния компонентов лесной геосистемы представлены в виде обработки матриц-компонент и определения коэффициентов регрессии. С учетом подученных коэффициентов регрессии построены графики зависимости, отражающие влияния отдельных компонентов (параметров) на качество лесных массивов. ■

Чтобы убедиться в реальности полученных результатов расчетным путем была сделана проверка значений откликов системы (У) - Уп), рассчитанных, согласно описанной методике и значений, полученных экспериментально. Значения экспериментальных и полученных данных совпадают с точностью до третьего знака, что свидетельствует о высокой точности модели.

Согласно проведенным исследованиям сделан вывод о том, что факторы, которыми возможно реально контролировать влияние промышленных воздействий на лесные биогеоценозы есть: объемный запас стволовой древесины, диаметр и высота, древостоев, радиальный прирост и средний балл категории состояния лесонасаждений.

В первой главе было отмечено, что основные вещества, которые влияют на состояние лесных насаждений, это фтористый водород, твердые фториды. Модель качественного состояния лесных массивов (рис.3) была взята в качестве исходной для проведения исследований. В более сжатом виде она выглядит следующим образом:

У = В1Х1 + В2Х2 + В3Х3 +В4Х4 + В5Х5, (17)

где У - выходная величина, характеризующая качественное состояние древостоев;

X] - суммарное количество выбросов, тыс. тонн/год;

Х2 - количество выбросов НБ, тыс. тонн/год;

Х3 - количество выбросов СО, тыс. тонн/год;

Х4 - количество выбросов твердых фторидов, тыс. тонн/год;

Х5 - количество выбросов БОг, тыс. тонн/год;

В1 В2, В3, В4, В5 - коэффициенты при соответствующих параметрах в уравнении (18).

На основании полученных данных были построены графики зависимости: среднего балла категории по первой зоне (У]), по второй зоне (У2), по третьей

зоне (Уз); индекса состояния по среднему баллу категории по первой зоне (У4), по второй зоне ,(У5), по третьей

зоне (У6); интегрального показателя по среднему баллу категории по первой зоне (У7), по второй зоне (У8), по третьей зоне (У?); радиального прироста по категориям здоровых деревьев (Ую), угнетенных деревьев (Уц), сухостойных деревьев (У]2) от суммарного количества выбросов (Х(), фтористого водорода (Х2), окиси углерода (Х3), твердых фторидов (ХД сернистого газа (Х5).

Рис. 2. СТРУКТУРНЫЙ ГРАФ (С-ГРАФ) МОДЕЛИ

Таблица 2.

Таблица данных факторов, влияющих на состояние леса

годы Средний балл категории (по зонам) Индекс состояния (по зонам) Интегральный показатель (по зонам) й и Я О 3 " ^ 8 о ч е Я Радиальный прирост, мм по категориям дер. и О м ч о и -"Й Цч ж о ч о и л "а

1 2 3 1 2 3 1 2 3 е й х § 1 10 ё О И здор. угн. сухос К £ о Я н и Й о 12 н а> к К И йО НОН н О § ¡Л н о §

У1 У2 УЗ У4 У5 У6 У7 У8 У9 - У10 У11 У12 XI Х2 хз Х4 Х5

1976 2,45 1,7 1,2 6,1 ' 6,93 9,6 2,7 1 2,58 3,5 27 0,98 0,47 0,7 240 3,2 95 2,2 16

1980 3,67 2,54 1,3 4,0 5,0 9,3 2,07 2,05 3,2 53,5 0,8 0,41 0,52 232,4 3,0 92 2,4 18

1985 4,67 3,16 1,3 2,93 3,75 9,3 1,9 1,82 3,2 80,1 0,79 0,38 0,35 226,4 2,4 86 2,6 21

1991 5,05 3,32 1,4 3,2 5,6 9,0 1,8 2,22 3,6 80,1 0,77 0,36 0,32 180 2,1 58 2,7 17

1995 4,9 3,52 3,0 3,2 4,2 4,1 1,53 2,06 2,4 80,5 0,75 0,34 0,32 118 2,6 75 3,5 20

Таблица 3.

Данные, влияющие на состояние леса, полученные в ходе прогноза

Годы Средний балл категории (по зонам) Индекс состояния (по зонам) Интегральный показатель (по зонам) Радиальный прирост, мм по катего риям деревьев Суммар. кол-во выбр, тыс. тонн/год ОТ, тыс ГОШ в год СО, тыс. тони в год гвер-ДыБ фто-?ВДь: тыс. тонн в год БО2, тыс. гонн в год

1 2 3 1 2 3 1 2 3 здоров угнет :ухос

1960 0,93 0,59 - 7,2 7,41 13,99 4,09 2,55 4,05 1,06 0,55 1,01 353ДЙ 3,8 121,15 1,2 14,9*

1965 1,56 1,04 0,13 6,55 6,95 14,13 3,72 2,47 3,88 1,02 0,52 0,89 332,9 3,5 113,29 1,49 15,5;

1970 2,19 1,48 0,5 5,89 6,49 13,78 3,35 2,39 3,71 0,97 0,49 0,78 392,62 3,3 105,42 1,78 16,25

1976 2,45 1,7 1,2 6,1 6,93 9,6 2,7 2,58 3,5 0,98 0,47 0,7 240 3,2 95 2,2 16

1980 3,67 2,54 1,3 4 5 9,3 3,07 2,05 3,2 0,8 0,4 0,52 232,4 3,0 92 2,4 18

1985 4,67 3,16 1,3 2,93 3,75 9,3 1,9 1,82 3,2 0,79 0,38 0,35 226,4 2,4 86 2,6 21

1990 5,05 3,32 1,4 3,2 5,6 9 1,8 2,22 3,6 0,77 0,36 0,32 180 2,1 58 2,7 17

1995 4,9 3,52 3 3,2 4,2 4,1 1,53 2,06 2,4 0,75 0,34 0,22 118 2,6 75 3,5 20

2000 6 4,15 2,72 1,98 3,77 4,97 1,11 1,91 2,68 0,68 0,3 0,08 110,94 2,0 58,24 3,53 20,49

2005 - 4,59 3,09 1,33 3,31 3,84 0,74 1,83 2,51 0,63 0,28 - 80,66 1,8 50,37 3,82 21,19

2010 - 5,03 3,46 0,68 2,86 2,71 0,37 1,75 2,34 0,58 0,26 - 50,38 1,6 42,51 4,11 21,9

2015 - 5,48 3,83 0,02 2,4 1,58 - 1,68 2,17 0,53 0,23 - 20,1 1,4 34,64 4,4 22,61

2020 - 5,92 4,19 - 1,95 0,45 - 1,59 1,99 0,48 0,19 - - 1,2 26,78 4,69 22,8?

2025 - - 4,57 - 1,49 - - 1,52 1,82 0,43 0,17 - - 0,9 18,91 4,99 23,52

2030 - - 4,94 - 1,04 - - 1,44 1,65 0,39 0,15 _ 0,7 11,05 5,28 24.17

XI Х2 ХЗ Х4 Х5 У1 У2 УЗ У4 У5 У6 У7 У8 У9 У10 У11 У12

Указанные зависимости были построены по участкам: первый - за период с 1960 по 1980 годы с временной градацией 5 лет; второй - с 1985 по 2005 годы; третий - с 2010 по 2030 годы.

Результаты исследования приведены в таблице 3. Факторы, оказывающие влияние на состояние леса, приведены в таблице 1 и обозначены с соответствующими индексами: XI, Х2, Хз, Х4, Х5. Этим факторам ставятся в соответствия значения параметров: . Y], Y2, Y3 - средний балл категории, соответственно по 1, 2, 3 зонам, Y4, Y5, Y& - индекс состояния, соответственно по 1, 2, 3 зонам, Yt, Y8, Y9 - интегральный показатель, соответственно по 1, 2, 3 зонам, Yio:, Y11, Y12 - радиальный прирост, выраженный в миллиметрах, соответственно по категориям здоровых, угнетенных и сухостойных деревьев, значение откликов.

Значения откликов Yj - Y9 представляют особый интерес. Они отражаются на биологической устойчивости древостоев. Важным показателем биологической устойчивости насаждений является динамика изменения их состояния. Эти изменения можно охарактеризовать для древостоев с помощью индекса состояния насаждений (1с).

Для оценки состояния лесонасаждений используется интегральный показатель состояния насаждений (1с) и индекс состояния древостоев, которые отражают структуру древостоя,

степень ;его ослабления и усыхания, изреженность крон деревьев, сохранность лесной среды. Индекс состояния насаждений вычисляется по формуле:

Ic=I(G*/)V, (18)

где Qt - доля площади поперечного сечения деревьев i - ой категории состояния от суммы Q, .приравненной к 10;

fj - средняя охвоенность деревьев разных категорий или густота их крон в долях единицы;

р - преобразованный показатель полноты насаждений, характеризующий сохранность лесной среды.

Интегральный показатель рассчитывается по формуле:

S = — *К * Р , (20)

{¿ОБЩ

где Qi - площадь сечения деревьев i-ой категории состояния; Qoeui - общая площадь сечений деревьев на пробной площади; К - коэффициент состояния, зависящий от баллов категории состояния; Р - полнота насаждений.

Зависимость выходной величины Yi - Y12 от факторов X] - Х5 .полученная с применением регрессионного анализа имеет следующую запись:

г Xi = exp(-l)5539*10"3*t2-836)86*10'3*In(t)-l,2616/t+80,575*10"3*t+7,0494, Х2 = 273,68*10"6*t2+277,93*10'3*LN(t)+572,79*10'3/t-69,361*10"3*t+

+3,2948,

Хз = 2,3329* 10"3*t2+l,4584+LN(t)+3,8245/t-l,7603*t+l 19,07, Х4 = exp(-150,65*10"6*t2+79,329*10"3*ln(t)+6,9253*10"3/t+26,695* *10"3+149,59*10"3,

Х5 = 16,492*10"6i,t2+341,lA10'3*ln(t)+770,63*10"3/t+127,81*10"3*t+14,089,

= ехр(-413,64*10°/ехр(1-991,87*10"бУ+83,457*103+14,089, У4 = 302,28М0°*^-3,7519+1п(0-19,523/1+250,99А10"3^+8,8294, У7 =238,01*10б*12+234,56*10-3*1п(0+468,23*10-3Л-97,119*10-3*1+3,7191, У,о =15,205*10'б*^-10,658*10"3*1+1,0760.

Значения факторов записываются в виде матрицы, размерностью 5 х 5, а значения У в виде столбца, размерностью 1x5. Аналогично, записываются в отдельный столбец В искомые коэффициенты регрессии, размерностью 1x5.

Среди моделей, описывающих связь между параметрами были рассмотрены частные случаи моделей (в виде экспоненты, тригонометрического многочлена, полиномов первого, второго порядка).

Модель в виде многочлена первого порядка, в общем случае, при наличии к варьируемых факторов имеет вид:

у = В0 + В,Х! + В2Х2 _+... + ВкХк , (20)

где Во , В1 , Вз , . . . , Вк - коэффициенты, числовые значения которых определяются по результатам эксперимента.

Анализ показал, что построенная регрессионная модель позволила получить информацию об объекте и о способах управления им. С помощью регрессионной модели легко оценить степень и характер

влияния каждого из факторов на выходную величину, а сама модель качественного состояния лесных массивов послужила основой для оптимизации процесса деградации лесонасаждений. Модели этого класса являются основой для разработки регионально адаптированных моделей имитационного типа для

использования в системах обработки первичной информации, а также для прогнозирования на их основе конкретных ситуаций, заменяя реальный биологический эксперимент численным.

Описанные таким образом зависимости свидетельствуют о влиянии антропогенного воздействия промышленных предприятий налесные экосистемы.

В четвертой главе разработана структурная система мониторинга леса. В пункт 4.1. проведен анализ методов построения схемы мониторинга леса.

Важной научной проблемой, связанной с исследованием последствий природных и антропогенных воздействий на биосферу, является прогнозирование динамики изменения состояния лесов, иными словами, возникает необходимость разработки алгоритма прогнозирования состояния леса.

Прежде всего, под комплексным мониторингом лесов подразумевается динамическая многоцелевая автоматизированная система контроля за состоянием, использованием, воспроизводством лесов, их динамика и функциональные свойства, которая должна отображать динамические процессы, протекающие в лесных экосистемах под влиянием природных и антропогенных факторов.

Целью мониторинга не должна быть пассивная констатация фактов: кроме наблюдений, он должен включать эксперимент и моделирование как основу прогноза.

Изучение действия антропогенных примесей на биоценозы проводились с учетом следующих факторов:

.1 -1 0000000 О О 0000000000000 0' 0.0 00000000

10 -1 000000 0 00000000000000 ООО 00000000 0\У„0\У„0 0-10 ООО 00 00 О 00 О 00 00 00 0000 О 00000

0Ш„0\У,з0-1 00000000000000000000000000000

00 О 01-10 О 00 00 00 00 О 00 00 0000 О 00 00 00 ООО 00 01 XV,з 10 О 00 00 ООО О 0 00 ООО 0000 00 ООО 0 000 О О \У120 О \У„ 0 0 -1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 О О XV,20 0W„0 0 0-1 0000000000000000000000000 О 0\У120 0\У,40 00 0-1 000000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0\У,60\У„0-1 00000000000000000000000 0 0 0 0 0 0 0\У160ЧУ,70 0-1 ООО 0000000000000000000 000000000 0,№150\у1,!0 0 0 0 0 0 0\У„ 0 1\У,„0 0000000000 0000000000000000 0000 100000000000 000000000000000000000 0\У, 000000000000 0 0 0 0 0 0\^„0 0001000000 0X^2 О О О 0ХУ7-1 000000000 0 0 0 0 0 0\У2„0Ш2|0 0 0 1 0 0 0 0 0 0\У220 О О ОДУ, 0-1 00000000 0000000000000 0-1 ООО о\\^о 0 0 0 0 0 0 0

0000000000000 О \У,\У2 ЧУз\У,0\У50 0 -1 0 0 0 \У230 0 0 0 0 0 0 0 0000000 000000000001 -1 000000000000000 00 00000000000000001 0-1 00000000000000 00 0000000000000000-1 0000000 0ХУзо\У2,\У25\У26,\Уг7\Ум\¥2,

X!

Хз X, X. X, X,

х„ Х,з

х„

Х]9

хг,

Х23

х2! х27

X» Хз,

Х,з

Хз, Хз* Хз8 Хдо

х«

Х46 X,,

Х50

х„

х„ х5! х„

Х59

Хб1

ХйЗ

= 0

РИС. 3. МОДЕЛЬ СОСТОЯНИЯ ЛЕСА

1. классификация экосистем с учетом антропогенных воздействий;

2. выявление лимитирующих факторов для первичных звеньев экосистем и их изменений под действием токсикантов;

3. учета степени специализации видов и выбора на основе наиболее уязвимых;

4. установления границ видов и их изменений под действием токсикантов;

5. выявление основных механизмов нарушений функционирования биоценозов на основе анализа предыдущих факторов.

Разработана структурная схема мониторинга на(рис. 5)

Для разработки структуры системы мониторинга динамического состояния лесных массивов проведен анализ работ по методическим основам создания мониторинга лесов и моделированию динамических процессов, протекающих в лесных биогеоценозах.

Анализ рассмотренных методов построения схемы мониторинга позволил отметить, что реакция древесной растительности может быть спрогнозирована при помощи качественных оценок. На начальном этапе наблюдаются биохимические изменения древесной растительности.

Одной из основных задач мониторинга явилась оценка пространственно-временной изменчивости климатических характеристик как наиболее динамических временных переменных, определяющих отклик растительности и адаптационные механизмы.

В пункте 4.2. предложена разработка алгоритма прогнозирования состояния леса. Объектом прикладного экологического мониторинга является фиксация изменений и прогноз важных с точки зрения полезности показателей биоты. Отмечаются основные направления, обеспечивающие повышение прогнозов: получение прогностической избыточности разными средствами и использование ее для уточнения результатов (операция комплексирования прогнозов); доказательство адекватности, правильности, осуществимости всех этапов прогностического процесса (процедура верификации).

Построен алгоритм выдачи управляющих воздействий на систему на основе структурной схемы мониторинга. Преимуществами такого алгоритма является сохранение данных, первичная обработка и последующее регулирование качества прироста лесных массивов, а это, в свою очередь, позволяет делать прогноз состояния лесных массивов в течение многих десятилетий.

Полученная схема мониторинга позволяет решать проблему охраны окружающей среды, возможность эффективного управления лесными ресурсами, улучшить экологическую обстановку в регионе.

Сделаны выводы и даны рекомендации по улучшению качественного состояния лесных массивов в условиях антропогенного воздействия, по управлению состоянием леса.

<

Построить графики

>

РИС. 4. АЛГОРИТМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

<

ПРОГНОЗ

Данные и их первичная обработка

Оценка прогнозируемого состояния

Выдача управляющих воздействий на экосистему

Р

—Регулирование качественного состояния экосистемы^— <^13 Контроль состояния экосистемы ^

РИС. 6. АЛГОРИТМ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЛЕСНЫХ МАССИВОВ

РИС. 5. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА МОНИТОРИНГА ЛЕСА

З.Основные выводы и рекомендации.

3.1. Выполненная работа соответствует формуле области исследования, определенной в паспорте специальности под шифром 05.13.01.

3.2. Научная новизна и итог выполненной работы состоит в следующем:

- модель качественного состояния леса предложено рассматривать как модель :истемы управления;

■ разработан метод построения математической модели состояния леса, который рассматривает связь множества параметров между собой;

- разработан топологический метод моделирования объекта на основе С-графа; • разработана структурная схема мониторинга леса;

- разработана методика идентификации динамической модели многосвязного объекта;

■ обоснован метод прогнозирования выходных параметров;

■ разработана структура системы мониторинга динамического состояния лесных массивов;

-разработан алгоритм прогнозирования состояния леса.

Полученные результаты работы позволяют решать экологическую проблему эегиона, что в свою очередь, дает возможность для разработки конкретных мер по улучшению состояния леса, восстановлению лесных массивов, подверженных злиянию антропогенных воздействий.

4. Литература

Результаты диссертационной работы изложены в работах: 1.Мартыненко О.П., Алпатов Ю.Н., Рунова Е.М., Минеева Н.В. Разработка эегрессионной модели прогнозов прироста лесных массивов методом структурного -рафа // Братск, индустр. ин-т, - Братск, 1998.-12 с.:3 илл. - Библиогр. 3 назв. -Рус.Деп. в ВИНИТИ. № 2664В98 от 2.8.08.98.

'.Мартыненко О.П., Алпатов Ю.Н., Рунова Е.М., Минеева Н.В. Математическое моделирование и прогноз состояния лесных экосистем в условиях антропогенного воздействия // Братск, индустр. ин-т, - Братск, 1998.-11 с.:3 илл. - Библиогр. 3 назв. -Рус.Деп. в ВИНИТИ. № 2663-В98 от 28.08.98.

З.Мартыненко О.П., Алпатов Ю.Н., Рунова Е.М., Минеева Н.В. Некоторые ювременные подходы к экологическому моделированию экосистем. // Сборник ;татей Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта. Иркутск. 1998 г.

(. Мартыненко О.П., Алпатов Ю.Н., Рунова Е.М., Минеева Н.В. Разработка методики идентификации динамической модели многосвязного объекта. Тезисы юкладов. Братск. БрИИ. 1998.

Мартыненко О.П., Алпатов Ю.Н., Рунова Е.М., Минеева Н.В. Применение топологического метода моделирования к анализу и исследованию лесных жосистем. Тезисы докладов. Братск. БрИИ. 1998.

Разрешить размножение

автореферата диссертации в количестве 100 экз. Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н., доцент С.В.Белокобыльский

Ш