Устойчивость является одним из фундаментальных понятий о развитии природных комплексов. Эта проблема необычайно актуальная в связи с сильным антропогенным воздействием на экосистемы и необходимостью проведения оценки последствий антропогенных воздействий на природные комплексы. Для количественного исследования проблемы устойчивости экосистем всегда должны быть определены воздействия и критические значения некоторых (признанных ответственными за устойчивость) компонентов или параметров экосистемы.
С понятием «устойчивость» тесно связано понятие «устойчивое развитие» (sustainable development) [3,5,6,12,13,14,21,29]. Если мы наберем в интернете поиск слова «устойчивое развитие», то обнаружим на эту тему более полумиллиона сайтов и десятки млн. документов. Полученная информация говорит о большой популярности термина устойчивое развитие.
В настоящее время практически все факультеты МГУ им. М.В. Ломоносова разрабатывают научную тему «Проблемы устойчивого развития». Данная научная тема является приоритетной для географического факультета МГУ. Ниже представлены некоторые результаты исследований по теме «Проблемы устойчивого развития».
Понятие «устойчивое развитие» является очень широким понятием и связано с проблемами экологическими, экономическими, социальными и политическими [2,4,7,8,9,10,11,16,30,31,32]. Потребность принятия концепции устойчивого развития была определена общепланетарной угрозой деградации состояния окружающей среды.
Существуют разные подходы модельного исследования устойчивого развития природных систем всех трех уровней [19,20].
Построение моделей природных экосистем с использованием дифференциальных уравнений и изучение устойчивости таких модельных систем к разного рода возмущениям [17,25,28] является наиболее распространенным исследованием процесса устойчивого развития. Другой подход связан с нахождением в системе характеристики, которая ответственна за устойчивое развитие. Индексы и индикаторы – представители данного подхода. В настоящее время на международном уровне разработана и согласована с «Повесткой дня на XXI век» система из 130 индикаторов устойчивого развития. Эти индикаторы включают рассмотрение очень большого количества статистических параметров. Однако конкретных разработок по численному значению индикаторов по регионам в настоящее время нет и, видимо, они не скоро появятся. Получение численных значений индикаторов устойчивого развития на региональном уровне — комплексная и дорогостоящая процедура, требующая много статистического материала, получить который либо сложно, либо вообще невозможно. Поэтому всегда стоит вопрос: «Нельзя ли найти такой интегральный, агрегированный индикатор, на основе которого можно судить о степени устойчивого развития региона»?
Приведем пример. Человеческий организм является очень сложной кибернетической системой. Если человек здоров, то у него нет никакого желания ходить по врачам, интересуясь состоянием своего здоровья. Но если организм дает сбой, то человек идет к врачу. И первое, что делает врач: он меряет температуру и давление. 36.6 –температура и 120/80 – давление, это значит, что организм человека находится в состоянии «устойчивого развития». А если температура за 39 градусов или давление зашкаливает за 200, то об «устойчивом развитии» говорить не приходится и срочно требуются дополнительные исследования состояния организма. Температура и давление являются интегральными, агрегированными индикаторами, на основе которых можно судить (в первом приближении) о степени устойчивого развития организма в целом.
Устойчивое развитие – это динамика, процесс. Для понимания насколько устойчиво будет развиваться природная и антропогенная система надо создать модель. Исследование проблемы устойчивого развития на региональном уровне проведено на примере развития Кировско – Апатитского района Мурманской области. Была предложена модель, построены графики, предложен критерий оценки устойчивого развития [15,22,27].
Для ответа на вопрос о возможности нахождения интегрального, агрегированного индикатора, на основе которого можно судить о степени устойчивого регионального развития, была проведена экспертная оценка по методу Делфи для анализа проблем устойчивого развития Кировско – Апатитского региона. В последней анкете эксперты пришли к выводу, что уменьшение численности населения на 20% и более соответствует неустойчивому развитию региона. Данный вывод был взят за основу оценки устойчивого развития региона.
В любом регионе к динамическим компонентам следует отнести: численность населения, ресурсы, состояние окружающей среды, распределение площадей региона. Если регион развивается устойчиво, то, в первую очередь, плавно растет численность населения, достигая своего предельного для данного региона значения.
На основе полученного дополнительного статистического материала промоделирована кривая, описывающая изменение во времени численности населения КАР. Сильное уменьшение численности населения за последние годы потребовало введения в модели дополнительных гипотез для объяснения хода кривой. Были проанализированы полученные по модели графики изменения численности населения. Был сделан вывод, что на интервале 1960 – 1987 гг. было устойчивое развитие региона, а на интервале 1987 – 2000 гг. отмечена стойкая тенденция – стремление к состоянию неустойчивого развития региона и достижение состояния неустойчивого развития в 2000 году.
Понятие устойчивого развития тесно связано с порядком и хаосом в природных системах. В последние годы часто появляются работы, в основе исследования которых лежит понятие «динамического хаоса» [23,26]. Динамические процессы в этих системах описываются детерминистскими дифференциальными уравнениями. Но в этих системах даже малая неточность в определении начального состояния может привести к тому, что детерминистская система поведет себя непредсказуемым образом. В этой области даже малые возмущения в системе могут привести к большим последствиям.
Режимы, чувствительные к начальным условиям, называют странными аттракторами. Странные аттракторы связаны с понятием «хаос в детерминированных системах».
В экологических исследованиях часто используют уравнение Ферхюльста.
при начальных условиях: t = =0, .
Хотя данное уравнение нелинейное, но оно интегрируется в квадратурах. Уравнение Ферхюльста – это наиболее простая форма описания динамических кривых, тем не менее, идеи построения логистической кривой лежат в основе моделей всех уровней: локального, регионального и глобального.
Величина асимптоты характеризуется отношением скорости роста коэффициента к коэффициенту замедления .
Представленное выше уравнение Ферхюльста с постоянными коэффициентами, рассмотренное с точки зрения порядка и хаоса, является репрезентативным представителем порядка в природных системах.
В реальности, экологические параметры, входящие в уравнение Ферхюльста, не являются постоянными величинами, а меняются во времени.
Учет изменения параметров уравнения Ферхюльста приводит к далеко идущим последствиям, более точно отражающим реальную ситуацию. Если в классическом варианте написания уравнения Ферхюльста мы имеем, в конечном счете, единственно возможный финал – достижение предельного состояния (что характеризует «порядок» в природной системе), то при варьировании параметров уравнения возможны различные варианты, в том числе и вымирание динамической системы, описываемой логистической кривой. Такое поведение системы характеризует «хаос» в природных системах.
Были исследованы два случая логистического уравнения. В первом случае составляется математическая модель функционирования экосистемы в виде дифференциальных уравнений и исследуется влияние возмущений на динамику развития данной системы. Вместо учета варьирования параметров системы считается, что система в целом подвержена воздействию малых (по абсолютному значению), но постоянно действующих возмущений. В результате модельных исследований в определенных случаях можно определить, какие параметры системы и в каких функциональных зависимостях являются ответственными за устойчивость изучаемой системы. Данный подход реализован для случая изучения влияния малых случайных возмущений на устойчивость состояний природных экосистем. Такие малые, но постоянно действующие возмущения за большой промежуток времени могут оказать сильное влияние на природную систему. В работах [18,28,33] показано, что устойчивость состояния системы, описываемой кривой Ферхюльста, к возмущениям типа «белого шума» тем выше, чем больше значение . В этих работах показано, как малые, но постоянно действующие возмущения могут «раскачать» и даже привести к гибели очень устойчивую (когда возмущения отсутствуют) систему.
Выше говорилось о том, что уравнение Ферхюльста, являясь нелинейным дифференциальным уравнением, имеет аналитическое решение. В подавляющем же большинстве решение нелинейных дифференциальных уравнений находят с помощью численных методов. С помощью численных методов было исследовано дискретное уравнение Ферхюльста. При дискретном изменении времени осуществляется принципиально новая картина. Парадокс результата исследования состоит в том, что аналитическое решение имеет всегда предельное значение, равное что соответствует «порядку» в системе, а при дискретном изменении времени при определенных значениях коэффициентов логистического уравнения возможны различные сценарии развития, в том числе сценарии, при которых происходит превышение предельного значения, равного ,что соответствует появлению «хаоса» в системе.
Матричный подход исследования динамики природных систем с учетом воздействий был использован в работе [24]. На основе теории матриц рассмотрено распределение природных экосистем по площадям в зависимости от факторов: скорости и степени изменения элементов матрицы, скорости сходимости и длительности процесса. Приведен числовой модельный пример расчета распределения площадей для трех экосистем.
К другой группе относятся попытки найти в природной экосистеме некую характеристику, отвечающую за устойчивость всей системы в целом. Безусловно, найти такую характеристику — очень заманчивая идея [34]. Предполагается, что такая характеристика является функцией некоторых переменных величин, которые можно сравнительно легко измерять. Меняя характеристики для различных природных экосистем, получают конкретные числа, сравнивая которые, можно говорить об относительной устойчивости природных экосистем. Достоинство данного метода — простота расчета характеристики.
В определенных случаях оценка устойчивости природных систем проводится с использованием метода Монте-Карло. В работе [1] методом Монте-Карло вычислена зависимость времени жизни системы от дисперсии возмущающего фактора.
Выводы
В настоящее время существует множество подходов модельного исследования устойчивого развития природных систем. Однозначного подхода для выработки критерия устойчивого развития не существует и, видимо, не будет найдено. Исследователи используют различный математический аппарат для получения критериев и применяют его для определения устойчивого развития.
Литература
1.Алексеев В.В., Светлосанов В.А. Оценка времени жизни системы хищник-жертва при условии случайной миграции жертв. М.: Журнал: Экология.1974. № 1. с.91-95
2.Андреев Ю.Б., Божинский А.Н. О законах распределения параметров природных процессов в условиях ограниченной информации. Журнал: Вестник Моск. Ун-та. сер. 5. География. 1993. № 3, с.35-38
3.Ващалова Т.В. «Устойчивое развитие человечества». 2013. М.-Ухта Изд-во УНЦ-ДО. -170 с.
4.Ващалова Т.В. «Концепция рационального природопользования и ее развитие на современном этапе». Вестник Российского университета дружбы народов. Серия экология и безопасность жизнедеятельности. 2014. № 1. с.37-47
5.Ващалова Т.В. От инженерной географии к географии устойчивого развития. Природные риски: анализ, оценка, картографирование. М.: Изд-во Моск. ун-та. 2013. с.41-47
6.Кирста Ю.Б. Устойчивое развитие этноэкосистемы России — стратегическая задача экологического образования в Сибири. Экологическое образование для устойчивого развития: Сб. науч. тр. ЮНЕСКО. – Барнаул. 1997. с. 57-65.
7.Кирста Ю.Б., Ловцкая О.В. Информационно-иерархическая организация биосферы и проблемы ее устойчивого развития. Известия Алтайского гос. ун-та. – 2001. № 3. с. 56-63.
8.Кирста Ю.Б. Имитационное моделирование динамики и прогноз климата России до 2020 года. Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов: Мат-лы III Всерос. конф. с междунар. участием, Барнаул, 24 – 28 авг. 2010 г. – Барнаул: Изд-во АРТ,. 2010. с. 387-390
9.Кирста Ю.Б, Кирста Б.Ю. Информационно-физический закон построения эволюционных систем. Системно-аналитическое моделирование экосистем: монография. Изд-е второе, испр. и доп. – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та. 2014. – 283 с.
10.Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем (монография). Глава 12: Механизмы устойчивости экосистем. М.: Наука, 2008. с. 315 – 329
11.Коломыц Э.Г. Полисистемное экологическое пространство и устойчивость высокогорных лугов. В книге: Залиханов М.Ч., Коломыц Э.Г., Шарая Л.С., Цепкова Н.Л., Сурова Н.А. «Высокогорная геоэкология в моделях». М.: Наука, 2010. с. 161– 190
12.Коломыц Э.Г., Шарая Л.С. Методы исчисления и картографирования устойчивости лесных экосистем // Известия Ран. Сер. географич. 2013, № 6.
с. 133 – 143
13.Коломыц Э.Г., Сурова Н.А. Экологическое пространство и устойчивость высокогорных лугов (Опыт эмпирико-статистического моделирования) // География и природные ресурсы. 2014, № 4. с. 120–131
14.Коломыц Э.Г., Шарая Л.С. Устойчивость лесных экосистем, методы ее исчисления и картографирования // Известия СНЦ РАН. 2014. Т. 16, № 1. с. 93–107
15.Куликов А.Н., Светлосанов В.А. Методика построения математической модели социально-экономического развития Кировско -Апатитского района Мурманской области с учетом экологических последствий. Журнал: Экологические системы и приборы. 2005. №5. с.41-43
16.Петрова Е.Г. Природно-техногенный риск как проблема регионального развития // Региональные исследования, 2014, № 1 (43), с. 62-68
17.Светлосанов В.А. О стабильности экосистем. Журнал: Вестник Московского университета. Серия 5. География. 1976. № 4. с. 83-94
18.Светлосанов В.А. Расчет меры устойчивости систем к случайным возмущениям. Журнал: Известия Российской академии наук. Серия географ. 1977. №5. с. 118-121
19.Светлосанов В.А. Устойчивость и стабильность природных экосистем. ВИНИТИ. Итоги науки и техники. Серия «Теоретические и общие вопросы географии». 1990. -200 с.
20.Светлосанов В.А. Основы методологии моделирования природных систем (учебное пособие). Москва. 2010 (Изд.2-е, исп.). Издательство УНЦ ДО. -118 с.
21.Светлосанов В.А., Кудин В.Н., Куликов А.Н. О понятиях «устойчивость» и «устойчивое развитие». Журнал: Экологические системы и приборы, 2006. №7. с.11-15
22.Светлосанов В.А., Кудин В.Н., Куликов А.Н. О критериях оценки устойчивого развития региона. Журнал: Юг России: Экология, развитие. 2008. № 1. с.6-14
23.Светлосанов В.А., Кудин В.Н. Системный анализ, риск, порядок и хаос в стратегии устойчивого развития. Журнал: Экологические системы и приборы. 2012. № 11. с.58-64
24.Светлосанов В.А., Кудин В.Н. Матричный подход при анализе динамики экосистем. Журнал: Экологические системы и приборы, 2012. № 12. с. 30-33
25.Светлосанов В.А., Куликов А.Н. Некоторые количественные подходы к оценке устойчивого развития природных систем. Журнал: проблемы региональной экологии.2004. № 3. с.13-19
26.Светлосанов В.А., Куликов А.Н., Кудин В.Н. Логистическая кривая — порядок и хаос в природных системах. Журнал: Экологические системы и приборы, 2009, №7. с.42-46
- Светлосанов В.А., Мыслев И.Б. Математическая модель социально-экономического развития Кировско-Апатитского района (компьютерные эксперименты). Журнал: Вестник МГУ. 1991.№ 4. с. 72-76
28.Фрейдлин М.И., Светлосанов В.А. О влиянии малых случайных возмущений на устойчивость состояний экосистем. Журнал: Общая биология. 1976. № 5. с. 715-721
29.Kirsta Yu.B. Information-hierarchical organization of biosphere and problems of its sustainable development. Ecological Modelling. – 2001. – v. 145. № 1. p. 49-59.
30.Petrova E.G. Natural factors of technological accidents: the case of Russia // Natural Hazards and Earth System Science. 2011. Vol. 11. № 8. p. 2227-2234
31.Petrova E. Natural hazards and technological risk in Russia: the relation assessment // Natural Hazards and Earth System Science, 2005, Vol. 5. № 4. p. 459-464
32.Petrova E. Critical infrastructure in Russia: geographical analysis of accidents triggered by natural hazards // Environmental Engineering and Management Journal. 2011. Vol. 10. № 1. p. 53-58
33.Svetlosanov V.A. The problem of ecosystem stability and some application of one of stochastic methods in investigation of this problem. Ecological Modeling. The Netherlands. 1985. ( 28). p. 311-322
34.Svetlosanov V.A. The notions of the indexes and criteria for a measurement of ecosystem stability. Ecologia (CSSR). v.4 № 4. p. 427-433[schema type=»book» name=»МОДЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ «УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ»» author=»Светлосанов Владимир Анатольевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-02″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]