Морской гидрофизический журнал. 2020; 36: 329-341
Интегральная модель эколого-экономической системы управления береговым стоком загрязнений в морскую бухту
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-3-329-341Аннотация
Цель. Цель статьи – описать усовершенствованную интегральную модель экологоэкономической системы берег – бухта, позволяющую контролировать баланс скоростей накопления и деструкции загрязняющих веществ, поступающих в море с береговым стоком.
Методы и результаты. Модель основана на концепции взаимной адаптации отклонений моделируемых процессов от их стационарных значений под действием внешних влияний. В качестве стационарного состояния системы использованы средние многолетние значения моделируемых процессов. Предложена схема причинно-следственных связей между развитием биохимических процессов в морской экосистеме и экономическими процессами потребления и воспроизводства морских биологических и ассимиляционных ресурсов. Схема содержала логические агенты управления сценариями этих процессов по критериям уровня загрязнения и биоразнообразия морской среды. Динамическая модель системы построена методом адаптивного баланса влияний, в котором для оценки коэффициентов влияний применен новый метод нормированных отношений стационарных средних значений. В оценках коэффициентов использованы текущие значения моделируемых процессов. Для проверки адекватности модельных сценариев реальным процессам проведены вычислительные эксперименты с моделью эколого-экономической системы береговой сток – экосистема Севастопольской бухты. В этой модели использованы полученные по данным наблюдений средние многолетние значения концентраций фито, зоо- и бактериопланктона, а также нитратов, аммония, растворенного органического вещества и детрита.
Выводы. Результаты экспериментов подтвердили возможность управления прогнозируемыми сценариями эколого-экономических процессов в соответствии с заложенными в модель концепциями управления. Показана реакция сценариев на различные варианты внешних управляющих воздействий, что делает подобные модели удобным инструментом планирования природоохранных действий в системах берег – бухта.
Список литературы
1. Daly H., Farley J. Ecological Economics: Principles and Applications. Washington, DC : Island Press. 2010. 544 р.
2. Voinov A. Systems Science and Modeling for Ecological Economics. New York : Academic Press, 2008. 432 p.
3. Shogren J. F., Parkhurst G. M., Settle C. Integrating economics and ecology to protect nature on private lands: models, methods, and mindsets // Environmental Science & Policy. 2003. Vol. 6, iss. 3. P. 233–242. https://doi.org/10.1016/S1462-9011(03)00041-8
4. Crépin A.-S., Norberg J., Mäler K.-G. Coupled economic-ecological systems with slow and fast dynamics – modelling and analysis method // Ecological Economics. 2011. Vol. 70, iss. 8. P. 1448–1458. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2011.02.004
5. Pearce D., Moran D. The Economic Value of Biodiversity. London : Earthscan, 1994. 172 p. URL: https://is.gd/S3Wb9Y (дата обращения: 10.04.2020).
6. Timchenko I. E., Igumnova E. M., Timchenko I. I. Adaptive balance models for environmental-economic systems. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2016. 486 p.
7. Научное обоснование экологического нормирования антропогенного воздействия на морскую экосистему (на примере Балтийского моря) / Ю. А. Израэль [и др.] // Океанология. 1988. Т. 28, вып. 2. C. 34–42.
8. Ivanov V. A., Igumnova E. M., Timchenko I. E. Coastal zone resources management. Kiev : Academperiodika, 2012. 304 p. https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.192.304
9. Ofiara D. D., Seneca J. J. Economic Losses from Marine Pollution: A Handbook for Assessment. Washington, DC : Island Press, 2001. 320 p.
10. Integrated ecological economic modeling of the Patuxent River watershed, Maryland / R. Costanza [et al.] // Ecological Monographs. 2002. Vol. 72, iss. 2. P. 203–231. https://doi.org/10.1890/0012-9615(2002)072[0203:IEEMOT]2.0.CO;2
11. Samhouri J. F., Levin P. S. Linking land- and sea-based activities to risk in coastal ecosystems // Biological Conservation 2012. Vol. 145, iss. 1. P. 118–129. https://doi.org/10.1016/j.biocon.2011.10.021
12. A global map of human impact on marine ecosystems / B. S. Halpern [et al.] // Science. 2008. Vol. 319, iss. 5865. P. 948–952. doi:10.1126/science.1149345
13. Elofsson K., Folmer H., Grey I.-M. Management of eutrophicated coastal ecosystems: a synopsis of the literature with emphasis on theory and methodology // Ecological Economics. 2003. Vol. 47, iss. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2003.09.001
14. Орехова Н. А., Вареник А. В. Современный гидрохимический режим Севастопольской бухты // Морской гидрофизический журнал. 2018. Т. 34, № 2. С. 134–146. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-134-146
15. Incorporating ecosystem services in marine planning: the role of valuation / T. Börger [et al.] // Marine Policy. 2014. Vol. 46. P. 161–170. https://doi.org/10.1016/j.marpol.2014.01.019
16. Гидролого-гидрохимический режим Севастопольской бухты и его изменения под воздействием климатических и антропогенных факторов / В. А. Иванов [и др.]. Севастополь, 2006. 90 с. (Препринт / МГИ НАНУ). URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/gidrologogidrohimicheskij_rezhim_sevastopolskoj_buhty_2006.pdf (дата обращения: 20.05.2020).
17. Fasham M. J. R., Ducklow H. W., McKelvie S. M. A nitrogen-based model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer // Journal of Marine Research. 1990. Vol. 48, no. 3. P. 591–639. https://doi.org/10.1357/002224090784984678
18. Тимченко И. Е., Иващенко И. К., Игумнова Е. М. Управление эколого-экономическими процессами накопления и ассимиляции загрязнений в прибрежной морской среде // Морской гидрофизический журнал. 2017. № 1. C. 72–88. doi:10.22449/0233-7584-2017-1-72-88
19. Тимченко И. Е., Игумнова Е. М., Тимченко И. И. Системный менеджмент и АВСтехнологии устойчивого развития. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2000. 225 с.
20. Тимченко И. Е., Игумнова Е. М., Свищев С. В. Применение принципов адаптивного моделирования морских экосистем к гидрохимическим наблюдениям в Севастопольской бухте // Морской гидрофизический журнал. 2019. Т. 35, № 1. С. 70–84. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-70-84
21. Свищев С. В. Адаптивное моделирование нитрификации в Севастопольской бухте // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря. 2018. № 2. С. 60–65. doi:10.22449/2413-5577-2018-2-60-65
22. О перспективах и возможностях оценки самоочистительной способности акватории Севастопольской бухты / Е. Е. Совга [и др.] // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Севастополь : ЭКОСИ-Гидрофизика, 2014. Вып. 28. С. 153–164.
Morskoy Gidrofizicheskiy Zhurnal. 2020; 36: 329-341
Integrated Model of the Ecological-Economic System for Managing the Coastal Pollution Inflow to the Sea Bay
https://doi.org/10.22449/0233-7584-2020-3-329-341Abstract
Purpose. The paper is aimed at describing the improved integrated model of the ecological-economic system "coast-bay" permitting to control the balance of rates of accumulation and destruction of the pollutants entering the sea with coastal runoff.
Methods and Results. The model is based on the concept of mutual adaptation of the simulated processes’ deviations from their standard values under the influence of external forces. The average multi-year values of the simulated processes are used as a stationary state of the system. The scheme of the cause-effect relationships between the development of the biochemical processes in the marine ecosystem and the economic processes of consumption and reproduction of the marine biological and assimilation resources is proposed. The scheme contains the logical agents for managing the scenarios of these processes based on the criteria of the pollution and biodiversity levels of the marine environment. The system dynamic model was constructed using the method of adaptive balance of causes in which, in order to assess the influence coefficients, a new presentation of the normalized relations of the standard mean values is used. The current values of the simulated processes are used in the coefficient estimates. To test correspondence of the model scenarios to real processes, the computational experiments including the model of the ecological-economic system "coastal runoff-the Sevastopol Bay ecosystem" were performed. The observations-derived average multi-year values of phyto-, zoo-, bacterio-plankton, nitrates, ammonium, dissolved organic matter and detritus concentrations were used in the model.
Conclusions. The results of the experiments confirmed possibility of managing the forecasted scenarios of the ecological and economic processes in accordance with the management concepts embedded in the model. The scenarios’ response to different variants of the external managing actions is shown, that makes such models a convenient tool for planning the nature-protection measures within the "coast-bay" systems.
References
1. Daly H., Farley J. Ecological Economics: Principles and Applications. Washington, DC : Island Press. 2010. 544 r.
2. Voinov A. Systems Science and Modeling for Ecological Economics. New York : Academic Press, 2008. 432 p.
3. Shogren J. F., Parkhurst G. M., Settle C. Integrating economics and ecology to protect nature on private lands: models, methods, and mindsets // Environmental Science & Policy. 2003. Vol. 6, iss. 3. P. 233–242. https://doi.org/10.1016/S1462-9011(03)00041-8
4. Crépin A.-S., Norberg J., Mäler K.-G. Coupled economic-ecological systems with slow and fast dynamics – modelling and analysis method // Ecological Economics. 2011. Vol. 70, iss. 8. P. 1448–1458. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2011.02.004
5. Pearce D., Moran D. The Economic Value of Biodiversity. London : Earthscan, 1994. 172 p. URL: https://is.gd/S3Wb9Y (data obrashcheniya: 10.04.2020).
6. Timchenko I. E., Igumnova E. M., Timchenko I. I. Adaptive balance models for environmental-economic systems. CreateSpace Independent Publishing Platform, 2016. 486 p.
7. Nauchnoe obosnovanie ekologicheskogo normirovaniya antropogennogo vozdeistviya na morskuyu ekosistemu (na primere Baltiiskogo morya) / Yu. A. Izrael' [i dr.] // Okeanologiya. 1988. T. 28, vyp. 2. C. 34–42.
8. Ivanov V. A., Igumnova E. M., Timchenko I. E. Coastal zone resources management. Kiev : Academperiodika, 2012. 304 p. https://doi.org/10.15407/akademperiodyka.192.304
9. Ofiara D. D., Seneca J. J. Economic Losses from Marine Pollution: A Handbook for Assessment. Washington, DC : Island Press, 2001. 320 p.
10. Integrated ecological economic modeling of the Patuxent River watershed, Maryland / R. Costanza [et al.] // Ecological Monographs. 2002. Vol. 72, iss. 2. P. 203–231. https://doi.org/10.1890/0012-9615(2002)072[0203:IEEMOT]2.0.CO;2
11. Samhouri J. F., Levin P. S. Linking land- and sea-based activities to risk in coastal ecosystems // Biological Conservation 2012. Vol. 145, iss. 1. P. 118–129. https://doi.org/10.1016/j.biocon.2011.10.021
12. A global map of human impact on marine ecosystems / B. S. Halpern [et al.] // Science. 2008. Vol. 319, iss. 5865. P. 948–952. doi:10.1126/science.1149345
13. Elofsson K., Folmer H., Grey I.-M. Management of eutrophicated coastal ecosystems: a synopsis of the literature with emphasis on theory and methodology // Ecological Economics. 2003. Vol. 47, iss. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2003.09.001
14. Orekhova N. A., Varenik A. V. Sovremennyi gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2018. T. 34, № 2. S. 134–146. doi:10.22449/0233-7584-2018-2-134-146
15. Incorporating ecosystem services in marine planning: the role of valuation / T. Börger [et al.] // Marine Policy. 2014. Vol. 46. P. 161–170. https://doi.org/10.1016/j.marpol.2014.01.019
16. Gidrologo-gidrokhimicheskii rezhim Sevastopol'skoi bukhty i ego izmeneniya pod vozdeistviem klimaticheskikh i antropogennykh faktorov / V. A. Ivanov [i dr.]. Sevastopol', 2006. 90 s. (Preprint / MGI NANU). URL: http://mhi-ras.ru/assets/files/gidrologogidrohimicheskij_rezhim_sevastopolskoj_buhty_2006.pdf (data obrashcheniya: 20.05.2020).
17. Fasham M. J. R., Ducklow H. W., McKelvie S. M. A nitrogen-based model of plankton dynamics in the oceanic mixed layer // Journal of Marine Research. 1990. Vol. 48, no. 3. P. 591–639. https://doi.org/10.1357/002224090784984678
18. Timchenko I. E., Ivashchenko I. K., Igumnova E. M. Upravlenie ekologo-ekonomicheskimi protsessami nakopleniya i assimilyatsii zagryaznenii v pribrezhnoi morskoi srede // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2017. № 1. C. 72–88. doi:10.22449/0233-7584-2017-1-72-88
19. Timchenko I. E., Igumnova E. M., Timchenko I. I. Sistemnyi menedzhment i AVStekhnologii ustoichivogo razvitiya. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2000. 225 s.
20. Timchenko I. E., Igumnova E. M., Svishchev S. V. Primenenie printsipov adaptivnogo modelirovaniya morskikh ekosistem k gidrokhimicheskim nablyudeniyam v Sevastopol'skoi bukhte // Morskoi gidrofizicheskii zhurnal. 2019. T. 35, № 1. S. 70–84. doi:10.22449/0233-7584-2019-1-70-84
21. Svishchev S. V. Adaptivnoe modelirovanie nitrifikatsii v Sevastopol'skoi bukhte // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon morya. 2018. № 2. S. 60–65. doi:10.22449/2413-5577-2018-2-60-65
22. O perspektivakh i vozmozhnostyakh otsenki samoochistitel'noi sposobnosti akvatorii Sevastopol'skoi bukhty / E. E. Sovga [i dr.] // Ekologicheskaya bezopasnost' pribrezhnoi i shel'fovoi zon i kompleksnoe ispol'zovanie resursov shel'fa. Sevastopol' : EKOSI-Gidrofizika, 2014. Vyp. 28. S. 153–164.
