Продукционные процессы в водных экосистемах

Водные системы являются удобным объектом для моделирования, прежде всего, потому, что водная среда относительно гомогенна, ее легче изучать и моделировать.

Водные системы дают людям, животным, сельскому хозяйству и промышленности жизненно необходимый ресурс — воду. Океаны, моря, реки, озера обеспечивают в разных странах от 20 до 80% потребности людей в белковой пище. Однако качество воды в водоемах и их продуктивность часто неожиданно резко падает. Эго связано, в первую очередь, с гем, что водоемы традиционно использовались людьми в качестве удобных и бесплатных систем по переработке отходов, что привело к их значительному загрязнению, нарушению естественных биологических и химических процессов. При этом водные системы, в силу своей однородности, гораздо более уязвимы по отношению к техногенным воздействиям, чем сухопутные.

В настоящее время планирование любого водохозяйственного мероприятия сопровождается и предваряется построением математической модели водной системы. Построение такой модели как инструмента планирования позволяет дать качественную оценку влияния реализации различных проектов на состояние окружающей среды. Моделирование дает также возможность оценивать чувствительность экосистем к разного рода воздействиям и выявлять ключевые процессы в экосистемах, определяющих их развитие.

Кроме того, разработка модели стимулирует упорядочивание и классификацию уже имеющейся информации об объекте, приводит к необходимости планировать систему сбора данных и позволяет давать содержательную интерпретацию физических, химических и биологических данных.

Математическая модель помогает разработать оптимальную стратегию управления водными системами, в том числе рыбным хозяйством. Дело в том, что наряду с ухудшением качества воды причиной падения продуктивности водоемов являются систематические переловы. Перелов в биологическом смысле приводит к такому состоянию рыбного стада, когда воспроизводительная способность популяции не может компенсировать убыль в результате вылова. Перелов в экономическом смысле — состояние стада, когда его поголовье сокращается настолько, что промысел становится нерентабельным. В настоящее время в связи с высоким уровнем развития техники промысла биологический перелов, как правило, предшествует экономическому.

Решение задачи оптимизации систематического лова рыбы восходит к работам Баранова (1918). Представив коэффициент общей смертности в виде суммы коэффициентов естественной и промысловой гибели в формуле численности рыбного стада, Баранов оценил величину улова и смог подойти к постановке задачи оптимального вылова. Значительный шаг в решении этой задачи сделали Риккер (1958) и Бивертон, Холт (1957), связавшие модели с конкретным статистическим материалом рыбоводства и ихтиологии и предложившие методики решения некоторых задач управления.

Особенно большой вклад в моделирование рыбных популяций внес В. В. Меншуткин (1971), который представил схему взаимодействий элементов системы как контур с обратными связями (рис. 5.1).

Такая система может обладать устойчивым стационарным состоянием или, как мы видели в разделе 2.2, в ней могут возникать автоколебания. Подобные схемы были патожены в основу построения и изучения рыбного стада многих озер и морей.

В настоящей главе остановимся на некоторых общих моментах моделирования биологических продукционных процессов, происходящих в водной среде. Рассмотрим упрощенные качественные модели планктонных сообществ и более детализированные модели, описывающие динамику численности (биомассы) гидробионтов в конкретных водоемах.