Розділ 2.
Методологія аналізу довгострокової динаміки та прогнозування підтоплення
сільськогосподарських угідь
2.1. Синергетика як основа дослідження екологічних проблем оцінки динаміки
рівнів ґрунтових вод на півдні України
2.1.1. Методологічна схема оцінки динаміки рівнів ґрунтових вод та їх
прогнозування
Проблеми розвитку природно-технічних систем послідовно вивчають із
застосуванням моделювання складних систем, зокрема і в сформованій науці про
системи – системології. В подальшому використовується одна із гілок
системології – синергетика, об’єктом якої є системи, що самоорганізуються і
розвиваються [127]. В даний час розвиток таких систем методологічно
зіставляється з теорією нерівноважних, нестаціонарних процесів [90, 93, 128].
Математичною основою моделювання синергетичних систем є звичайні диференціальні
рівняння [90, 118, 127, 130, 131], що використовуються для моделювання
здебільшого нестаціонарних процесів, властивих технічним системам [127, 128].
Зокрема і при розгляді природно-технічної системи (межиріччя Дніпро-Молочна)
застосовувались диференціальні рівняння в частинних похідних в задачах
імітаційного моделювання динаміки і прогнозування рівнів ґрунтових вод в
окремих точках трьохвимірного простору [88]. Проте при розгляді
природно-технічних систем даний апарат часто є неадекватним для відображення
динаміки розвитку і структурних змін системи, що визначаються на основі окремих
показників за даними моніторингу. Так, аналіз даних еколого-меліоративного
моніторингу [36, 126] показав, що важливим показником стану системи є розподіл
площ за рівнем ґрунтових вод. Вимірювання глибини залягання ґрунтових вод
здійснюється безпосередньо в спостережних свердловинах, на основі цих даних
будуються карти, а на основі карт визначаються абсолютні значення площ з певним
розподілом за рівнем ґрунтових вод. Вивчення динаміки показника площ за рівнем
ґрунтових вод є важливою задачею синергетики – аналізу підтоплення, його
виникнення, розвитку, суттєвого зменшення в окремих випадках в залежності від
факторів впливу. Проте розв’язання даної задачі стає не можливим на основі
застосування диференціальних рівнянь, а вимагає застосування нових математичних
підходів.
Для аналізу динаміки рівнів ґрунтових вод, а на їх основі синергетичних
процесів розвитку підтоплення сільськогосподарських угідь на півдні України,
нами вперше запропоновано методи статистичного аналізу [22, 23, 51, 52],
зокрема побудови гістограм для вивчення площ підтоплення в роки спостережень.
Метод гістограм, як метод аналізу природно-технічної системи, можна віднести до
методів кібернетики, які базуються на використанні відомого принципу “чорного
ящику” [29]. Такі методи не завжди дають можливість оцінити внутрішні зв’язки
змінних об’єкта, детальний вплив факторів зовнішнього середовища. Проте
застосування даного методу гістограм для розв’язання задачі оцінки і аналізу
стану сільськогосподарських угідь обумовлено характером даних, які
забезпечуються спостереженнями в системі еколого-меліоративного моніторингу, і
має такі переваги:
забезпечує адекватну обробку даних спостережень відомим статистичним методом,
який дозволяє наглядно оцінити стан об’єкта за показником розподілу площ за
рівнем ґрунтових вод;
графічне представлення і аналіз інформації для оцінки динаміки об’єкта, тобто
для вивчення його синергетичних властивостей.
В випадку необхідності аналізу багатьох об’єктів, які відрізняються своїми
динамічними властивостями, виникає задача класифікації цих об’єктів за типами
динаміки. Як відомо класифікація – це поділ розглядуваної сукупності об’єктів
на групи однорідних, що підлягають одним і тим же закономірностям, об’єктів.
Ясно, що для побудови хорошої класифікації необхідне достатньо глибоке
розуміння природи і закономірностей поведінки даних об’єктів. Проте “традиційно
розпливчаті” геологія, соціологія та ін. [90], де рівень пізнання
закономірностей неглибокий, носить приблизний якісний характер, теоретичні
побудови класифікації об’єктів є неможливими, а обов’язково повинен залучатись
емпіричний матеріал для аналізу динамічної структури розглядуваних явищ [90].
З нашої токи зору для класифікації таких об’єктів доцільно використовувати
формальні методи розпізнавання образів, що в тій чи інший мірі використовують
принцип “чорного ящика” [9]. Одержуючи загальні закономірності за типами
динаміки, кожний клас таких об’єктів досліджується більш детально (наявність чи
відсутність дренажу, його стан, час введення в дію, характер поливів, види
зрошення тощо).
Для прогнозування таких процесів і систем, зокрема для ситуаційного
прогнозування, використовується метод прогнозування на основі апарату теорії
ланцюгів Маркова [53]. Цей метод може бути використаний для прогнозу ситуацій,
що характеризуються множиною показників (факторів впливу), які змінюються із
року в рік одночасно, але безпосередні функціональні зв’язки між ними не
встановлені в наслідок відсутності інформації або надзвичайної складності цих
зв’язків [96]. В основі прогнозу побудованого на основі простих ланцюгів
Маркова, лежить обчислення матриці переходу, елементами якої являються
імовірності переходу прогнозованих параметрів із одного стану в інший, від
одної ситуації до іншої [96].
Таким чином, методологічна схема аналізу динаміки рівнів ґрунтових вод та їх
прогнозування за даними еколого-меліоративного моніторингу повинна мати такій
вигляд (рис. 2.1):
Рис. 2.1. Узагальнена схема методики аналізу синергетичної системи (динаміки
площ за рівнем ґрунтових вод)
2.1.2. Існуючі математичні методи
- Київ+380960830922