URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Хомяков П.М., Иванов В.Д., Искандарян Р.А. и др. Геоэкологическое моделирование для целей управления природопользованием в условиях изменений природной среды и климата
Id: 3051
 
1319 руб.

Геоэкологическое моделирование для целей управления природопользованием в условиях изменений природной среды и климата

URSS. 2002. 400 с. Твердый переплет. ISBN 5-8360-0339-4.

 Аннотация

В книге с позиций системного анализа рассмотрены методы построения моделей динамики гео- и агроэкосистем регионального уровня (снижение размерности задачи, качественная идентификация параметров, оценка точности и верификация системы). Показана принципиальная возможность информационного обеспечения геоэкологических моделей без организации широкомасштабного, долговременного и дорогостоящего мониторинга.

С помощью созданной Автоматизированной системы регионального экологического прогноза (АСРЭП) исследован широкий спектр задач по рациональному использованию природных ресурсов, оценке антропогенного воздействия на окружающую среду, а также теоретических проблем, связанных с глобальными изменениями природных условий и климата.

Для научных работников, специалистов в области охраны природы, математического моделирования и экологического прогнозирования, студентов и аспирантов естественных факультетов университетов, институтов, академий, вузов.


 Annotation

The book is dedicated to a consideration of geo-ecological and agro-ecological systems, and to the modelling of their dynamics by applying various methods of systems analysis approach (such as reducing the dimensionality, the qualitative identification of parameters, model verification and validation, and so on).

The authors discuss the possibility of providing in principle an adequate information support for geo-ecological models without the need for broad-scale, long-term, and costly, environmental monitoring.

Based on a new Automated Regional Ecological Forecasting System (AREFS), the authors examine a wide spectrum of problems related to the efficient use of natural resources and environmental impact assessment, and consider a number of theoretical issues about the global climate and environmental change.

The book is intended for researchers --- specialists in the fields of nature conservancy, mathematical modelling and environmental forecasting, and students (including postgraduates) within the natural sciences departments of universities and academies.


 Оглавление

Введение

I Теоретические основыинтегрального геоэкологического моделирования  

1 Обзор методов экологического прогноза и экологического моделирования. Методологическое обоснование принципов моделирования геоэкосистем с помощью интегральных показателей
 1.1.Вводные замечания
 1.2.Методы экологического прогноза. Анализ причин возникновения проблем в экологическом прогнозировании и моделировании
 1.3.Специфические особенности динамики сложных систем и возможности их формализации
 1.4.Базовые принципы методологии интегрального моделирования. Эффект аутостабилизации в природе и в моделях
 1.5.Минимальные модели
 1.6.О возможности применения системного анализа для формализации описания природного территориального комплекса
 1.7.Обзор методов интегрального геоэкологического моделирования и прогнозирования
2 Методы моделирования динамики геоэкосистем
 2.1.Вводные замечания
 2.2.Формальная суть поиска интегральных показателей и возможности их дезагрегирования
 2.3.Применение концепции состояний для формализации динамики геоэкосистем. Понятие функции состояния
 2.4.Использование свойства аутостабилизации в моделировании. Уточнение концепции состояний и ее дальнейшее использование в моделировании динамики геоэкосистем
 2.5.Методика построения моделей динамики геоэкосистем на базе применения интегральных (агрегированных) показателей
 2.6.Методы нахождения вида функциональных зависимостей в интегральных моделях. Оценка погрешности интегрального моделирования
 2.7.Обобщение выводов о погрешности интегрального моделирования. Понятие псевдобифуркаций
  2.7.1.Некоторые предварительные выводы
  2.7.2.Смена классов состояний геоэкосистем и режимы их функционирования. Обобщение выводов о погрешностях интегрального моделирования
  2.7.3.К вопросу о бифуркациях и "псевдобифуркациях"
 2.8.Некоторые важные замечания
 2.9.Глубина прогнозирования с помощью интегральных моделей
 2.10.Выводы

II Автоматизированная системарегионального экологического прогноза -- АСРЭП

1 Моделирование динамики почв
 1.1.Вводные замечания
 1.2.Описание подблока "почва" для блока "почва--растительность"
  1.2.1.Интегральный показатель плодородия почвы -- индекс почвы. Построение индекса почвы путем агрегирования
  1.2.2.Коэффициент благоприятности климата. Прямая оценка индекса почвы
  1.2.3.Обоснование достаточности индекса почвы для характеристики основных ее свойств
  1.2.4.Описание имитационной модели динамики почвенного плодородия. Биотические факторы
  1.2.5.Описание имитационной модели почвенного плодородия. Абиотические факторы
 1.3.Подблок "почва" как минимальная модель почвенного плодородия. Исследование динамики почвенного азота с помощью модели
  1.3.1.Постановка задачи. Описание модели динамики почвенного азота
  1.3.2.Верификация модели. Возможности корректировки ряда зависимостей
  1.3.3.Результаты имитационных экспериментов
  1.3.4.Выводы и обобщения
 1.4.Почвенное плодородие и продуктивность фитоценозов
  1.4.1.Основные факторы, влияющие на текущие значения продуктивности растительности. Влияние удобрений
  1.4.2.Моделирование влияния засоленности и переувлажненности почв на продуктивность растительности
  1.4.3.Моделирование динамики кислотности почв и ее влияния на продукцию растительности
  1.4.4.Моделирование динамики урожайности агроценозов
2 Моделирование динамики растительности
 2.1.Описание подблока "растительность" для блока "почва--растительность"
  2.1.1.Основные интегральные характеристики системообразующих свойств растительности как компонента ландшафта
  2.1.2.Описание модели динамики растительности. Основная часть
  2.1.3.Описание модели динамики растительности. Имитация некоторых специфических режимов
 2.2.Подблок "растительность" как минимальная модель динамики запасов биомассы и возрастных характеристик сообществ. Исследование с помощью детализированной модели динамики растительных сообществ
  2.2.1.Постановка задачи. Описание детализированной модели динамики растительных сообществ
  2.2.2.Верификация модели
  2.2.3.Результаты имитационных экспериментов
 2.3.Примеры верификации модели "почва--растительность" и некоторые аспекты интерпретации результатов
3 Моделирование морфодинамики гидросети
 3.1.Описание блока морфодинамики гидросети
  3.1.1.Имитационная модель интенсивности склоновых процессов
  3.1.2.Система гидросети и сети временных водотоков. Параметры распределения по глубинам и моделирование их динамики во времени
  3.1.3.Моделирование изменений густоты овражно-балочно-долинной сети
  3.1.4.Изменения ширины днищ и крутизны бортов долин. Оценки и возможности моделирования
 3.2.Блок морфодинамики гидросети как минимальная модель динамики густоты и глубины расчлененности рельефа. Исследование с помощью пространственной модели развития эрозионной сети
  3.2.1.Постановка задачи. Описание пространственной модели развития эрозионной сети
  3.2.2.Верификация модели
  3.2.3.Результаты имитационных экспериментов
 3.3.Некоторые вопросы верификации блока морфодинамики гидросети
 3.4.Учет неоднородности территории при оценке и моделировании динамики состояний элементов природных территориальных комплексов
  3.4.1.Типы местности в пределах регионов и основные принципы моделирования динамики геоэкосистем с учетом неоднородности территории
  3.4.2.Понятие структурной однородности территории и проблемы ландшафтного районирования для информационного обеспечения эксплуатации АСРЭП
4 Моделирование стока и динамики верхних горизонтов грунтовых вод
 4.1.Описание блока динамики вод суши
  4.1.1.Анализ некоторых проблем моделирования стока и общая характеристика блока
  4.1.2.Краткое описание подблока динамики поверхностного стока и пополнения грунтовых водозапасов
  4.1.3.Подблок динамики грунтовых вод и грунтового питания рек
  4.1.4.Влияние внутригодовой неравномерности осадков на формирование стока
 4.2.Подблок динамики грунтовых вод как минимальная модель динамики региональных водозапасов верхнего горизонта грунтовых вод
  4.2.1.Постановка задачи. Описание схематизированной пространственной модели динамики грунтовых вод
  4.2.2.Верификация модели. Результаты имитационных экспериментов
 4.3.Способы формализации условий увлажнения и динамики стока, характерных для выделяемых в модели типов местности
 4.4.Моделирование влияния растительности на сток, увлажнение территории и характеристики приземного микроклимата
  4.4.1.Моделирование влияния растительности на температуру приземного слоя воздуха и скорость ветра
  4.4.2.Моделирование влияния леса на структуру стока
  4.4.3.Моделирование влияния растительности на испарение
  4.4.4.Моделирование влияние леса на осадки. Результирующее влияние леса на сток
  4.4.5.К вопросу о моделировании связи приземной температуры и увлажненности
 4.5.Верификация блока динамики вод суши
  4.5.1.Верификация блока на примере моделирования ряда локальных ситуаций
  4.5.2.Верификация блока на примере моделирования динамики стока Волги с 1913 по 1980 гг.
5 Моделирование динамики заболоченности и мерзлотных условий
 5.1.Моделирование динамики болот
 5.2.Моделирование динамики мерзлотных условий
  5.2.1.Вводные замечания
  5.2.2.Основные переменные и концептуальная схема построения модели
  5.2.3.Основные зависимости блока динамики мерзлотных условий
  5.2.4.Моделирование динамики термокарста
  5.2.5.Верификация блока динамики мерзлотных условий
6 Моделирование динамики засоленности, миграции и трансформации загрязнителей
 6.1.Описание блока засоленности почв и верхних горизонтов грунтовых вод
 6.2.Описание блока миграции и трансформации загрязнителей
  6.2.1.Общая характеристика блока
  6.2.2.Моделирование миграции и трансформации загрязнителей в растениях
  6.2.3.Моделирование миграции и трансформации загрязнителей в почвах
  6.2.4.Описание подблоков евтрофикации и миграции загрязнителей в грунтовых водах и реках
  6.2.5.Показатели токсичности среды
  6.2.6.Пути и методы верификации блока миграции и трансформации загрязнителей. Список учитываемых загрязнителей
7 Общая схема строения АСРЭП
 7.1.Общая схема строения модели динамики природных территориальных комплексов и возможности ее использования для прогнозирования результатов антропогенных воздействий
 7.2.Программная реализация АСРЭП
 7.3.Функциональная схема программной реализации АСРЭП

III Примеры применения АСРЭП для теоретическихисследований, решения задач экологическихэкспертиз и регионального управленияприродопользованием, изучение влияния глобальногопотепления на экономику России

1 Теоретические исследования явления псевдобифуркаций на примере развития субтропических степей
 1.1.Вводные замечания
 1.2.Исследование вариантов самовосстановления геоэкосистем нарушенных земель в зоне субтропических саванновых степей
 1.3.Варианты развития ценозов субтропических пустынь при длительном увлажнении климата. Возникновение и развитие геоэкосистем прерий
 1.4.Выводы
2 АСРЭП как инструмент информационного обеспечения принятия решений, связанных с природопользованием
 2.1.Специфические проблемы информационного обеспечения принятия решений в области природопользования
 2.2.Общая схема информационного обеспечения процесса принятия решений в области природопользования и роль геоэкологического моделирования
3 Экологическое обоснование стратегии развития земледелия в Центральном Черноземье на примере Воронежской области
 3.1.Формулировка проблемы
 3.2.Исследование альтернатив развития земледелия с помощью АСРЭП
4 Исследование различных вариантов развития орошаемого земледелия в зоне Каракумского канала
 4.1.Описание проблемы
 4.2.Исследование различных альтернатив развития орошаемого земледелия с помощью АСРЭП
5 Экологическая экспертиза воздействия различных вариантов теплообеспечения г. Семипалатинска на состояние Семипалатинского бора
 5.1.Описание проблемы и формулирование альтернатив обеспечения теплоснабжения
 5.2.Прогноз результатов реализации предлагаемых альтернатив обеспечения теплоснабжения
 5.3.Выводы
6 Экологическая экспертиза строительства Тургайской ГРЭС
 6.1.Описание проблемы и результаты исследования
 6.2.Замечания и комментарии
7 Экологическая экспертиза последствий аварии на Чернобыльской АЭС для сельского, водного и лесного хозяйства Белоруссии
 7.1.Описание ситуации и формулирование альтернатив развития хозяйства
 7.2.Результаты прогнозных оценок
 7.3.Выводы
 7.4.Дополнительные теоретические результаты
8 Исследование влияния глобального потепления на газовую отрасль
 8.1.Постановка задачи. Ключевые проблемы работы отрасли на территории Западной Сибири, обусловленные спецификой природных условий
  8.1.1.Вводные замечания
  8.1.2.Опасные природные явления на территории севера Западной Сибири, влияющие на функционирование газовой промышленности
   Природные явления, влияющие на переходы газопроводов через реки
   Природные процессы, влияющие на линейную часть газопроводов
  8.1.3.Влияние изменений климата на функционирование газовой промышленности. Имеющийся опыт оценок
  8.1.4.Формулировка задачи для геоэкологических исследований с целью оценки влияния глобального потепления на функционирование газовой промышленности
 8.2.Общая характеристика геоэкологических и геокриологических условий севера Западной Сибири и прогноз их изменений в результате глобального потепления с помощью АСРЭП
 8.3.Проблемы транспортировки газа и их возможное обострение в связи с прогнозируемыми изменениями природной среды вследствие глобального потепления
  8.3.1.Участки переходов газопроводов через реки
  8.3.2.Линейные участки газопроводов
  8.3.3.Возможные мероприятия по компенсации влияния глобального потепления на транспортировку газа и их экономическая оценка
 8.4.Проблемы освоения новых месторождений в условиях прогнозируемых изменений природной среды вследствие глобального потепления климата
 8.5.Выводы
Заключение
Summary
Литература
Предметный указатель
Слово об авторах

 Введение

Экологическая тематика в последние два десятилетия находилась в центре внимания ученых, практиков, политиков и публицистов. Выпущенная в 1996 году Международным институтом прикладного системного анализа (IIASA, Laxenbourg, Austria) библиография насчитывает более 50000 публикаций на экологическую тематику за 25 лет, предшествовавших 1996 году, что свидетельствует о растущей актуальности и популярности данной проблематики.

В то же время в экологических исследованиях наметилось выделение в отдельное направление работ по природопользованию. Экологические исследования в этих работах призваны обеспечить принятие оптимальных решений в многочисленных отраслях, эксплуатирующих возобновимые природные ресурсы и достаточно опосредованно связанных с той тематикой, которую наиболее часто отождествляют с экологическими исследованиями (проблемы редких видов, проблемы биоразнообразия и т.п.). Ресурсно-экологические исследования особенно актуальны в условиях масштабных изменений природной среды и климата, имеющих глобальный характер.

Прогноз состояния почв, растительности, водных объектов, изменений структуры земельного фонда, мерзлотных условий и вообще состояния геологической среды становится необходимым элементом при выработке решений в лесном, сельском, водном хозяйстве, строительстве, нефте- и газодобыче и многих других отраслях.

Этот прогноз должен давать грамотные и четкие ответы на вопрос: "что будет с природной средой и отдельными ее компонентами, если произойдут такие-то изменения климата и будут реализованы такие-то антропогенные воздействия".

Подобные прогнозы нужны именно для отраслевых и региональных руководителей и зачастую не имеют ничего общего с достаточно расплывчатой и запутанной процедурой так называемой "экологической экспертизы", хотя она должна была бы в первую очередь удовлетворять интерес как раз тех руководителей, которые заинтересованы в объективной информации о состоянии природной среды и перспективах ее изменения в тех или иных регионах.

В ряде случаев такая информация необходима для принятия решений и на более высоком уровне. Забегая вперед, скажем, что традиционное описательное естествознание подошло к пределу своих возможностей в области прогнозирования состояния природной среды при тех или иных вариантах изменений глобального климата и сценариев антропогенной нагрузки на природно-территориальные комплексы. Дело в том, что прогнозы, особенно прогнозы времени наступления тех или иных предсказанных изменений, не являются сильной стороной классического описательного естествознания.

В данном случае не составляют исключения и прикладные отрасли классического природоведения. В этой связи следует отметить также, что отраслевые прикладные разделы естествознания зачастую сильно специализированы, между тем наиболее острые проблемы природопользования требуют комплексного междисциплинарного исследования. Проблемы лесоводства или земледелия, например, чаще определяются гидрогеологическими и гидрологическими факторами, а сток зависит от ландшафтной обстановки на водосборах. Все эти эффекты известны классическому природоведению и учитываются в его прикладных разделах. Но подобные эффекты зачастую должным образом не оценены количественно, что делает комплексный геоэкологический прогноз методами классического естествознания невозможным.

Адекватно удовлетворить запросы управления природопользованием может только комплексное геоэкологическое моделирование. В то же время, подавляющее большинство моделей не стыкуется с имеющимся в описательном естествознании огромным массивом информации о состоянии природной среды в тех или иных регионах. Моделирование носит в основном "биофизический" и "геофизический" характер, когда для информационного обеспечения моделей требуются показатели типа "осмотического давления на черенке листа" или "вязкости материала в основании морозобойной трещины". Очевидно, что такие характеристики в массовом порядке не измерялись, не измеряются и вряд ли в ближайшее время можно будет наладить их адекватный мониторинг.

Следовательно, информационное обеспечение подобных моделей на основе имеющейся информации невозможно и требует многолетних масштабных специальных исследований, унифицированных и организованных на межгосударственном уровне. Очевидно, в обозримом будущем они организованы не будут. Тем более, что нет гарантий, что такие модели окажутся адекватными и пригодными к практическому использованию, а ориентированный на их обслуживание мониторинг не пропадет зря. С другой стороны, использование данных о состоянии природной среды в отраслевой практике базируется на данных прикладных дисциплин традиционного естествознания -- лесоводстве, агрохимии, инженерной геологии, гидрологии и т.п. Таким образом, результаты работ "биофизических" и "геофизических" моделей не могут быть использованы в современной практике управления и проектирования также по этой причине. Поэтому чрезвычайно актуальным становится вопрос о создании геоэкологических моделей, при построении, верификации, информационном обеспечении и эксплуатации которых использовались бы качественные данные, оценочные характеристики и концептуальные построения традиционного описательного естествознания. Результаты работы этих моделей должны легко интерпретироваться в терминах прикладных наук о Земле, которые в настоящее время реально обслуживают практиков лесоводства, агрохимии, мелиорации, инженерной геологии, инженерной геоморфологии и т.п.

В то же время использование подобных моделей не может быть лишь приложением к обширным и порой слабо структурированным рекомендациям описательного характера. Результаты моделирования должны быть поданы четко, ясно и компактно. Последнее особенно актуально. Информации должно быть ровно столько, сколько достаточно для принятия управленческих решений соответствующего уровня. Обширность и избыточность информации не облегчают, а затрудняют принятие решений, в том числе в области природопользования, -- это азы инженерной психологии и организации управления.

Все вышеизложенные требования к геоэкологическому моделированию как инструменту информационного обеспечения принятия решений и легли в основу излагаемых в данной книге разработок. Эти исследования начались более 20 лет назад во Всесоюзном институте системного анализа АН и ГКНТ СССР (ныне Институт системного анализа РАН). В разное время в этих работах принимали участие специалисты МГУ, ГАУ, ВНИИ экономики сельского хозяйства, Института леса РАН. Последние 10 лет исследования продолжаются в значительной степени вследствие их включения в программу "Глобальные изменения природной среды и климата". Без участия в ней соответствующие работы не могли бы быть завершены и доведены до практического использования.

Наиболее крупными и знаковыми публикациями по результатам данных работ стали коллективная монография "Природа моделей и модели природы", М.: Мысль, 1986, под редакцией Д.М.Гвишиани, И.Б.Новика и С.А.Пегова; книга С.А.Пегова и П.М.Хомякова "Моделирование развития экологических систем", Л.: Гидрометеоиздат, 1991; коллективная монография "Влияние глобальных изменений природной среды и климата на функционирование экономики России", М.: УРСС, 1998, под редакцией академика Н.П.Лаверова и коллективная монография П.М.Хомякова с соавторами "Моделирование динамики геоэкосистем регионального уровня", М.: Изд-во МГУ, 2000.

Все эти книги содержат изложение определенных этапов работ над соответствующими модельными методиками и приложения результатов применения соответствующих моделей.

Однако издание вышеописанных работ не исчерпало изложения всех значимых результатов исследований в данном направлении. Особо здесь стоит отметить последнюю публикацию, куда не вошли очень многие интересные и актуальные результаты, и которая по ряду причин оказалась перегруженной чисто описательными материалами, имеющими достаточно отдаленное отношение и к моделированию, и к управлению.

Поэтому издание обобщающей работы представляется оправданным и актуальным, тем более что ряд весьма ценных результатов, относящихся к исследованию ситуаций, связанных с глобальными изменениями природной среды и климата, получены в самое последнее время.

Книга состоит из трех частей. Первая часть посвящена теории и методологии исследований. Вторая часть посвящена собственно описанию соответствующих блоков модели. В третьей части показаны возможности решения теоретических проблем традиционного естествознания, проблем регионального природопользования и экологической экспертизы и проблем исследований влияния глобального потепления на экономику России с помощью геоэкологического моделирования.

Представляется правомерным, что прикладной третьей части предшествует теоретический материал. Слишком серьезные выводы делаются в этой части, и читатель вправе увидеть обоснованность и оценку точности соответствующих методик, на основании которых эти выводы делаются.

Авторы благодарят своих коллег, оказавших на разных этапах работы помощь в обеспечении натурными материалами, содействие во внедрении и проверке АСРЭП на практике: доктора географических наук Юрия Георгиевича Пузаченко, кандидата биологических наук Биби Бекхановну Полатову, кандидата географических наук Игоря Васильевича Пылева, доктора геолого-минералогических наук Виталия Савельевича Савенко, доктора технических наук Дмитрия Михайловича Хомякова.

Авторы искренне признательны всем программистам, участвовавшим в обеспечении программной реализации приводимых в данной книге геоэкологических моделей: Сергею Витальевичу Казакову, Алексею Алексеевичу Лютову, Владимиру Львовичу Соломину. Без их самоотверженного и творческого труда разрабатываемая методология никогда бы не была реализована в виде реально работающей информационной технологии.

Особую признательность авторы выражают члену-корреспонденту РАН Алексею Александровичу Макарову, поддержавшему исследования в самый ответственный момент начала их внедрения в практику.

Завершая наше введение, еще раз подчеркнем, что без поддержки Министерства науки Российской Федерации и Руководства программой "Глобальные изменения природной среды и климата" данные исследования никогда бы не были завершены и доведены до готовности к практическому использованию.

За что авторы благодарны Министерству науки РФ и Руководству программы "Глобальные изменения природной среды и климата".


 Contents

Introduction

I Theoretical fundamentals integrated geoecological modelling

1 A review of methods of ecological forecasting and modelling. Methodological justification of principles of geoecosystem modelling using integrated indicators
 1.1.Introduction remarks
 1.2.Methods of ecological forecasting. An analysis of causes of difficulties in ecological forecasting and modelling
 1.3.Specific features of complex systems dynamics and ways of their formalization
 1.4.Basic principles of an integrated modelling methodology. The autostabilization effect in nature and models
 1.5.Minimal models
 1.6.The application of systems analysis to formalization of natural territorial complex descriptions
 1.7.A review of integrated geoecological modelling and forecasting methods
2 Methods of geoecosystems dynamics modelling
 2.1.Introductory remarks
 2.2.Formal issues in search for integrated indicators and the ways of their disaggregation
 2.3.Application of the geoecosystem state concept to formalizing geoecosystems dynamics. Concept of a state function
 2.4.Use of the autostabilization property in modelling. More on the state concept and its further use in modelling geoecosystems dynamics
 2.5.Guidelines on geoecosystem dynamics model building using integrated (aggregated) indicators
 2.6.Methods of finding functional relationships in integrated models. Error estimations in integrated modelling
 2.7.Summary of conclusions about errors in integrated modelling. The pseudobifurcation concept
  2.7.1.Some preliminary observations
  2.7.2.Changes of geoecosystems state classes and modes of their functioning. Summary of conclusions about errors in integrated modelling
  2.7.3.On bifurcations and "pseudobifurcations"
 2.8.Some important remarks
 2.9.Consideration of forecast time horizons using integrated models
 2.10.Conclusions

II An automated system for regional forecasting -- ASREF

1 Soil dynamics modelling
 1.1.Introductory remarks
 1.2.A soil sub-block in the "soil--vegetation" block
  1.2.1.An integrated indicator of soil productivity as a soil index. The soil index construction by aggregation
  1.2.2.A climate favourability factor. Direct estimation of a soil index
  1.2.3.Substantiation of sufficiency of the soil index for characterization of its basic properties
  1.2.4.Description of a soil fertility dynamics simulation model. Biotic aspects
  1.2.5.Description of a soil fertility dynamics simulation model. Abiotic aspects
 1.3.The soil sub-block as a minimal model of soil fertility. Application of the model to a study of soil nitrogen dynamics
  1.3.1.Problem setting. Description of a soil nitrogen dynamics model
  1.3.2.Model verification. Ways of adjusting some relationships
  1.3.3.Model simulation results
  1.3.4.Conclusions and summary
 1.4.Soil fertility and phytocenosis productivity
  1.4.1.Major factors influencing current values of vegetation productivity. Impact of fertilizers
  1.4.2.Modelling the impact of soil salinity and excessive precipitation
  1.4.3.Modelling the soil acidity dynamics and its impact on vegetation products
  1.4.4.Modelling the agrocenosis productivity dynamics
2 Modelling the vegetation dynamics
 2.1.Description of a "vegetation" sub-block in the "soil--vegetation" block
  2.1.1.Basic integrated characteristics of systemic properties of vegetation as a landscape component
  2.1.2.The description of a vegetation dynamics model. The basic part
  2.1.3.The description of a vegetation dynamics model. Simulation of some specific dynamics modes
 2.2.The "vegetation" sub-block as a minimal model of biomass stocks dynamics and of age features of communities. A study of vegetative communities dynamics using a detailed model
  2.2.1.Problem description. The description of a detailed model of vegetative communities dynamics
  2.2.2.Model verification
  2.2.3.Results of simulation experiments
 2.3.Examples of the "soil--vegetation" model verification and result interpretation issues
3 Modelling the watershed morphology
 3.1.The description of the watershed morphology block
  3.1.1.A slope processes intensity simulation model
  3.1.2.The system of a watershed and a network of temporary waterways. Depth related distribution parameters and modelling their temporal dynamics
  3.1.3.Modelling changes in the density of ravine-valley networks
  3.1.4.Changes in valley bottom widths and valley side steepness. Estimations and ways of modelling
 3.2.The watershed morphology block as a minimal model of relief dismemberment dynamics and depth. A spatial erosion network development model study
  3.2.1.Problem description. A description of the spatial erosion network development model
  3.2.2.Model verification
  3.2.3.Results of simulation experiments
 3.3.Some watershed morphology model verification issues
 3.4.An integration of territorial heterogeneity into territorial complex element state dynamics assessment and modelling
  3.4.1.Types of terrain within regions and the main principles of geoecosystem dynamics modelling taking into account of territorial heterogeneity
  3.4.2.The concept of structural uniformity of a territory and issues of dividing landscapes into parts to provide information for ASREFs
4 Modelling upper groundwater layer runoffs and dynamics
 4.1.The description of a terrestrial water dynamics block
  4.1.1.An analysis of some problems in modelling runoffs and a general description of the block
  4.1.2.A brief description of the sub-block of surface run-off dynamics and groundwater stock renewal
  4.1.3.A sub-block of groundwater dynamics and groundwater river supply
  4.1.4.Impact of precipitation irregularities throughout a year on runoff formation
 4.2.The groundwater dynamics sub-block as a minimal model of regional upper groundwater layer water supply dynamics
  4.2.1.Problem description. A spatial groundwater dynamics model description
  4.2.2.Model verification. Model simulation results
 4.3.Ways of formalizing humidification features and runoff dynamics typical for selected terrain types in the model
 4.4.Modelling a vegetation impact on runoffs, land moisture content and the near-ground microclimate
  4.4.1.Modelling a vegetation impact on temperature of a near-ground air layer and wind velocity
  4.4.2.Modelling a forest impact on the runoff structure
  4.4.3.Modelling a vegetation impact on evaporation
  4.4.4.Modelling a forest impact on precipitation. The resulting runoff impact of forests
  4.4.5.Issues of modelling relationships between near-ground temperature and land humidity
 4.5.Verification of the terrestrial water dynamics block
  4.5.1.Verification of the block by modelling local situations
  4.5.2.Verification of the block by modelling the Volga river runoff dynamics from 1913 to 1980
5 Modelling the wetland and permafrost dynamics
 5.1.Modelling the wetland dynamics
 5.2.Modelling the permafrost dynamics
  5.2.1.Introductory remarks
  5.2.2.Basic variables and the model conceptual outline
  5.2.3.Basic relationships in the permafrost dynamics block
  5.2.4.Modelling the permafrost dynamics
  5.2.5.Verification of the permafrost dynamics block
6 Modelling the salinity and pollutant transport and transformation dynanics
 6.1.A description of the soil and top groundwater layer salinity block
 6.2.A description of the pollutant transport and transformation block
  6.2.1.A general block description
  6.2.2.Modelling the pollutant transport and transformation in plants
  6.2.3.Modelling the pollutant transport and transformation in soils
  6.2.4.A description of sub-blocks of eutrophication and pollutant transport in ground waters and rivers
  6.2.5.Indicators of environment toxicity
  6.2.6.Ways and methods of verification of the pollutant transport and transformation. A list of pollutants considered
7 The ASREF general structure
 7.1.A general outline of the territorial complex dynamics model and its capacity for forecasting anthropogenic impacts
 7.2.ASREF software
 7.3.Flowchart of ASREF software

III Examples of ASREF application for theoretical research,EIA problem solving and regional environmental management, studies of global warming impact Russia's economy

1 Theoretical research on pseudobifurcation phenomenon: a case study of subtropical steppe expansion
 1.1.Introductory remarks
 1.2.A study of self-restoration alternatives for disturbed geoecosystems in the subtropical steppe zone
 1.3.Development variants for subtropical desert cenoses in the case of long-term climate humidification. Emergence and expansion of prairies type geoecosystems
 1.4.Conclusions
2 ASREF as an information support tool for environmental decision making
 2.1.Specific issues relating to information support for environmental decision-making
 2.2.The general outline of information support for environmental decision-making and the role of geoecological modelling
3 Ecological aspects of various land management strategies in russia's Central-Chernozem region: a case study of Voronezh province
 3.1.Problem setting
 3.2.Research into alternatives of land management using ASREF
4 A study of various variants of irrigated agricultural development in the Karakum canal area
 4.1.A description of the problem
 4.2.A study of various alternatives of irrigated agricultural development using ASREF
5 Assessment of environmental impact of heat supply alternatives for the city of Semipalatinsk on a nearby pine tree forest
 5.1.The description of a problem and a formulation of urban heat supply alternatives
 5.2.Forecasts of implementation results for heat supply alternatives
 5.3.Conclusions
6 Environmental impact assessment of Turgaisk power station construction
 6.1.The description of a problem and results of research
 6.2.Remarks and comments
7 Assessment of environmental impact of the Chernobyl accident on agricultural, water and forest resources in Byelorus
 7.1.A description of the situation and the setting of alternatives of economic development
 7.2.Results of forecast estimates
 7.3.Conclusions
 7.4.Additional theoretical results
8 A study of global warming impact on the gas industry
 8.1.Problem description. The key environment related problems of the gas industry in Western Siberia
  8.1.1.Introductory remarks
  8.1.2.Hazardous natural phenomena on the territory of the north of Western Siberia and their impact on the gas industry
  8.1.3.Climate change impact on the gas industry: available experience
  8.1.4.Goal setting for geoecological studies to assess climate change impact on the gas industry
 8.2.A general description of geoecological and geocryological conditions in the north of Western Siberia and a forecast of their changes following global warming using ASREF
 8.3.Gas transportation issues and their possible exacerbation due to predicted global climate warming
  8.3.1.Stretches of gas pipelines crossing rivers
  8.3.2.Linear stretches of gas pipelines
  8.3.3.Suggested measures to mitigate global warming impacts on gas transportation and their economic estimation
 8.4.Issues of new gas deposit exploitation in the conditions of predicted climate change
 8.5.Conclusions
Summary (russian)
Summary (english)
References
Index
About the authors

 Summary

The necessity of integrating natural resource considerations into the so-called "strategic studies" is really not challenged by anybody. However, the area of environmental management, having grown into a heavy and influential bureaucratic institution, has not essentially raised to the level of management. For management without forecasting is impossible.

The existing numerous geoecological forecasting models have not become a reliable basis for environmental management. And it is not a mere allegation. Human practice abounds with examples of various types "information industry" in the field of humans-nature interactions.

The most obvious example of such an "information industry" is the weather service that is based on the synoptic method of forecasts, recently supplemented with forecasting models.

It is characteristic of the weather service that the same parameters:

-- measured with a network of meteorological stations,

-- predicted,

-- used in practice.

Integrated geoecological forecasts, if environmental management should be based on them, lack the above mentioned linkage with monitoring and information application systems.

The situation in which one parameter is measured, another is forecast while a third is used in practice prevails. All that means that the methods of integrated geoecological modelling and forecasting have not really become the core on which scientifically based sustainable development can be based, rather than bureaucratic and political speculations about it.

Indeed, there will not be a monitoring system introduced to check the potential of osmotic pressure on the shank of each leaf or the ground viscosity in all cracks caused by frost. But it is such parameters that appear in the majority of available geoecological models.

In order to build a workable system of integrated geoecological forecasting there are no other ways except for using the evidence derived from traditional descriptive natural sciences and their applied branches, such as agrochemistry, forest science, erosion science, land management, hydrogeology, etc. For the purpose of geoecological modelling (besides only addressing theoretical issues) consists just in a search for methods of using in forecasting models those data that appear in traditional Earth sciences and are used in environmental management practice for decades (if not for centuries).

Only such models can become an information support for rational management of natural resources just as the synoptic method once became the basis for weather.

Any reader who could even have glanced through the book should notice that those were such models that the authors have created all these years. The ASREF has become an embodiment of such an approach to geoecological modelling and the first step to creating an efficient information industry within the framework of environmental management.

The ASREF has been successfully applied for addressing specific problems of rational environmental management. In this connection, one can only mention successful attempts that were undertaken to link the ASREF to various monitoring systems, including space monitoring. One can only regret that these promising activities were suspended in the 1990s for the well known reasons of completely no scientific nature.

Nevertheless, the ASREF operational experience is sufficient to insist on its doubtlessly promising performance as the basic information support methodology for sustainable environmental management. It does not preclude in any way that better modelling systems can be designed. However, one must emphasize that really competitive similar systems can only be designed using the same methodological principles, and, first of all, those of integrated modelling.

One can conclude with a statement about the successful work on geoecological modelling and a constructive embodiment of this method as a really working information technology represented by the ASREF. But that would not be enough.

Implementing the method of integrated modelling with reference to the different components of the natural environment with different specific features that are studied by a range of sciences (from biology to geology), the authors have come to a conclusion about a very wide potential of integrated modelling. The capacity of this method surpasses demands on it relating to geoecological problem solving.

The integrated method and the concept of geoecosystem states can successfully be used practically in any subject domain dealing with so-called fuzzy problems. And such problems are basic in policy-making, economy, military activity, etc. The integrated method enables, within the framework of dynamic models that are mathematically well proved, using qualitative knowledge of experts.

Therefore the given book can be viewed not only as a piece of the work describing the creation of geoecological models, but also as a work on integrated modelling as a method demonstrated on a specific example from the area of Earth sciences.

The authors are confident not only in a promising future for integrated geoecological models and vistas for applications of ASREF wide capability. We are certain that methods of integrated modelling will be (especially in the near future) useful to formalize complex problems of the development of nature, society, the civilization. With the help of these models, one will be able to solutions to a number of urgent problems that remain unraveled because of a lack of methodology to forecast and understand the appropriate related processes and phenomena.


 Слово об авторах

Хомяков Петр Михайлович (руководитель авторского коллектива). Доктор технических наук, кандидат географических наук, профессор. Заведующий лабораторией Института системного анализа РАН. Автор свыше 60 научных публикаций и 7 монографий.

Иванов Владимир Дмитриевич. Инженер-эколог Московского государственного горного университета. Автор свыше 20 научных публикаций и 2 монографий.

Искандарян Рубен Александрович. Кандидат биологических наук. Старший научный сотрудник ВИУА. Автор свыше 20 научных публикаций и 1 монографии.

Конищев Вячеслав Николаевич. Доктор географических наук, профессор. Заслуженный деятель науки Российской Федерации. Заведующий кафедрой криолитологии и гляциологии Географического ф-та МГУ. Автор свыше 150 научных публикаций и 9 монографий.

Кривобок Игорь Георгиевич. Кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией Института системного анализа РАН. Автор свыше 40 научных публикаций и 1 монографии.

Пегов Сергей Анатольевич. Доктор технических наук, профессор. Заведующий отделом Института системного анализа РАН. Автор свыше 100 научных публикаций и 4 монографий.

Смолин Владимир Сергеевич. Научный сотрудник Института прикладной математики им.В.Келдыша РАН. Автор свыше 20 научных публикаций и 5 авторских изобретений.

Смолина Светлана Георгиевна. Старший научный сотрудник Института системного анализа РАН. Автор свыше 50 научных публикаций и 3 монографий.

Терентьев Геннадий Юрьевич. Кандидат экономических наук. Доцент кафедры производственного менеджмента в энергетике Государственной академии управления им.С.Орджоникидзе. Автор свыше 50 научных публикаций и 3 монографий.


 Об авторе

Хомяков Петр Михайлович
Доктор технических наук, профессор. Окончил географический и механико-математический факультеты МГУ имени М. В. Ломоносова. С 1981 г. работал в системе АН СССР (позже — РАН), ГКНТ и Госплана; занимался проблемами информатизации государственного управления, природно-ресурсного обеспечения устойчивого функционирования отраслей народного хозяйства, регионального управления, участвовал в исследованиях по глобальным проблемам. Преподавал в Государственной академии управления, Московском институте инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии, Российском новом университете. Работал аналитиком в РИА «Новости» и ИТАР-ТАСС. П. М. Хомяков разработал курсы экологической экспертизы, системного анализа, менеджмента, принятия управленческих решений, а также был инициатором создания книжной серии «Экспресс-курс лекций» по различным предметам для студентов-вечерников и заочников, предполагающей максимально компактное и доходчивое изложение соответствующих курсов с учетом специфики обучения в условиях дефицита времени. Опубликовано свыше 80 его научных статей, 12 учебников и монографий. Кроме того, П. М. Хомяков является автором художественных произведений, таких как фантастический детектив «Тайна царя Иоанна» (переведен на английский язык и издан в США), историческое расследование «Россия против Руси» и боевик «Мироповорот» (переведены на немецкий язык).
 
© URSS 2016.

Информация о Продавце