Разумовский Л.В.

Lev V. Razumovskiy

Институт водных проблем РАН (Москва, Россия)

УДК 574.5

Работа посвящена анализу многолетних исследований методом графического анализа. Исходно метод был разработан при изучении диатомовых комплексов из современных озерных осадков Европейской части России. Установлены три исходных типа таксономических пропорций в диатомовых комплексах и три сценария их трансформации. Позднее метод был успешно применен при изучении диатомовых комплексов из отложений позднего голоцена. Были сформулированы основные понятия и решаемые информационные задачи. В дальнейшем это позволило успешно проводить анализ долговременных трансформаций в речных фитопланктонных сообществах (биомониторинг). Предложена сходная модель флуктуаций численности микроорганизмов в воде. Информативность метода продемонстрирована также при анализе трансформаций в сложных системах, не относящихся к категории живых: в реках и водохранилищах.

Ключевые слова: графический анализ; трансформации; сложные системы

Введение

Метод графического анализа (МГА) был неоднократно описан в научной литературе (Разумовский, Моисеенко, 2009; Разумовский, 2012; Разумовский, Гололобова, 2014). Основная суть МГА состоит в ранжировании таксономических пропорций. Все идентифицированные таксоны ранжируются по показателю относительной численности в сторону его уменьшения. В результате в линейной системе координат строится исходный график или гистограмма.

Отличительной особенностью МГА является визуализация представителей каждого низшего таксона не по его систематической принадлежности, а по его дискретности. Эта дискретность определяется его процентной долей от всего комплекса идентифицированных таксонов. В результате в исходной информационной базе данных содержится только определенное количество таксонов и их относительная численность. Эта биотопическая совокупность дискретных таксонов анализируется как единое множество.

Пространственно-временная трансформация относительной численности всех таксонов, как единой совокупности, позволяет описать направленность тех изменений, которые происходят в той пресноводной экосистеме (озере или реке), из которой анализируются диатомовые комплексы.

Анализ полученных графиков (гистограмм) проводится в линейной и логарифмической системе координат. В логарифмической системе координат анализируются не сами графики, а их тренды, представленные результирующими прямыми линиями (РПЛ). Совокупности РПЛ образуют определенные генерации. Были установлены три определенных типа генераций и сценарии их трансформации и обобщенная картина трансформации под воздействием внешних факторов (рис. 1).

Рис. 1. Обобщенная модель трансформации диатомовых комплексов
в логарифмической системе координат

Fig. 1. Generalized model of diatom complexes transformation in a logarithmic coordinate system

Объекты исследования и полученные результаты

В 2018 г. вышла работа, где впервые были опубликованы результаты изменений в структуре фитопланктонных сообществ р. Москва с использованием МГА.

Целью проведенных исследований была оценка степени и характера воздействия биологически-очищенных стоков на трансформацию таксономической структуры фитопланктонных комплексов в черте города и прилегающих территориях при помощи МГА (Разумовский и др., 2018).

Структуру и объем первичного материала составили 355 интегральных проб, отобранных с 2006 по 2012 гг. на 6 створах Москвы-реки. Всего было идентифицировано более 900 видов. Систематическая принадлежность была установлена для следующих групп водорослей: диатомовые, зеленые, синезеленые, эвгленовые и золотистые.

Кроме того, при анализе первичного массива данных и построении графиков, характеризующих таксономические пропорции в фитопланктонном комплексе, был использован ряд методологических приёмов, позволивших наиболее объективно описать их пространственно-временные трансформации.

Обычно подсчет процентных пропорций в микрофлористических комплексах из поверхностных осадков водоемов проводится в конце осени, после окончания сезона вегетационной активности, когда произошло отмирание клеток и их оседание на дно.

При анализе фитопланктонных комплексов реки была сымитирована эта ситуация: все просмотренные фитопланктонные комплексы, развивавшиеся в водной среде с весны по осень в данном пункте наблюдения, были совместно проанализированы, и абсолютная численность клеток всех идентифицированных таксонов просуммирована.

Было установлено, что в черте города антропогенное воздействие существенно преобладает над естественными процессами трансформации структуры речных фитопланктонных сообществ. Из природных процессов выраженное воздействие (негативного характера) было установлено (при помощи МГА) только для аномально-высоких летних температур в 2010 г.

В 2006 г. вышла работа, посвященная анализу бактериологических показателей качества воды (Долгоносов и др., 2006). В ней был проанализирован многолетний ряд наблюдений (с 2001 по 2005 гг.) по нескольким группам микроорганизмов. Их присутствие в воде связано с антропогенным загрязнением. Наблюдения проводились в районе Москворецкого водоисточника, на створе р. Москва.

На основе полученных результатов была предложена модель флуктуаций численности микроорганизмов в воде. В упомянутой работе были построены временные ряды изменения абсолютной численности двух групп загрязняющих организмов: коллиформ и общего микробного числа (ОМЧ).

Было предложено выяснить вероятность той или иной численности в разные сезоны. Для этого были построены графики, где по оси абсцисс отложены численные значения в логарифмическом масштабе, а по оси ординат – обратное, нормальное распределение х = Ф^-1(у). Такая система координат удобна для построения логнормальных распределений, которые изображаются прямыми. В результате распределения вероятностей численности образовали на каждом графике две прямых линии (рис. 2 а, б). Одна из прямых соответствует распределению в области низких значений (1), а другая в области высоких значений (2). Между этими частями графика существует фазовый переход, обозначающий скачкообразное изменение численности организмов. Градуировка оси ординат отражает отклонение вероятности событий (а не их отрицательную или положительную возможность).

Рис. 2. Распределение вероятностей численности организмов (Долгоносов и др., 2006).
По оси ординат отложено обратное нормальное распределение: 1 – распределение в области низких и 2 – высоких значений

Fig. 2. Probability distribution of the organisms quantity (Dolgonosov et al., 2006). The reverse normal distribution located along the ordinate axis. 1 – distribution in the region of low and 2 – high values

Иначе говоря, всякий раз, когда возникают подходящие условия, происходит фазовый переход данного экосистемного блока на новый уровень, в следующую категорию. Кроме того, рисунки 2а и 2б наглядно демонстрируют, что этот фазовый переход в другое состояние экосистемы может произойти в любой точке (области), где протекает устойчивая модуляция экосистемы. В рассматриваемых случаях, это является полной аналогией фазовых переходов, установленных для генераций РПЛ, и сформулированных на основе диатомового анализа.

Перспективность разработанного метода графического анализа и возможность его междисциплинарного применения была наглядно продемонстрирована при изучении совершенно иных «сложных» систем. Если до этого анализировались «живые» системы, то в нижеописанном случае система была «сложная», но «неживая».

В своих работах американский экономист Кеннет Боулдинг предложил шкалу сложности систем, которая состоит из девяти уровней сложности (Боулдинг, 1969).

Описанные в этой работе системы соответствуют четвертому уровню сложности, т.е. уровню открытой самосохраняющейся системы. К этому уровню сложности причисляются реки и такие явления, как пожары.

При этом все исходные «правила игры», необходимые для графического анализа систем, были соблюдены: источник воздействия, сама система, правильный выбор параметров трансформации системы в результате воздействия на неё.

Первопричиной исследований стали динамические воздействия работающих гидросооружений Жигулевской ГЭС на акваторию водохранилища, береговую линию, грунты обрамляющих территорий и расположенные там строительные объекты. Наблюдения продолжались с 1999 по 2013 гг. (Разумовский, Шумакова, 2014). Была экспериментально установлена прямая зависимость между интенсивностью вибраций грунтов приплотинной территории и объемами попусков через водосливную плотину.

За характеристику интенсивности динамических нагрузок принималась амплитуда вертикальной скорости вибраций грунтов Vz, мкм/с. За характеристику режима попусков через водосливную плотину принимались расходы воды Q, тыс. куб. м/с.

Было установлено, что интенсивность вибраций грунтов, при прочих равных условиях, возрастает от года к году. При этом угол наклона построенных графиков (зависимости вертикальных скоростей колебаний грунтов Vz от холостых расходов воды Q) образуют две генерации (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость вертикальных скоростей вибраций грунтов (Vz, мкм/с) от расходов воды через водосливную плотину (Q, 10³ м³/с) (Разумовский, Шумакова, 2014)

Fig. 3. Dependence of vertical ground vibration velocities (Vz, mkm/s) on water flow through the spillway dam
(Q, 10³ m³/s) (Razumovsky, Shumakova, 2014)

Генерация с меньшим углом наклона наблюдалась в 1999–2003 гг. Однако, в 2004–2013 гг. построенные графики приобретают принципиально иной угол наклона, соответствующий увеличению интенсивности колебаний приблизительно в 2,5–3 раза. В результате образуется вторая генерация. Соответственно в 2003 г. произошло скачкообразное изменение (увеличение) показателя колебаний грунтов, или фазовый переход (рис. 3).

За базовую концепцию была принята типизация нециклических трансформаций пресноводных экосистем (Разумовский, Моисеенко, 2009). Аналогичный методологический подход при построении графиков зависимости выделенных параметров (Vz и Q) позволил сделать однозначный вывод: в 2003 г. произошел фазовый переход системы в другое динамическое состояние, и ее возврат в исходное состояние вряд ли возможен.

Необходимо упомянуть еще одну категорию «неживых» объектов, где автор, руководствуясь совершенно иными методологическими подходами, пришел к тем же выводам о фазовых переходах в сложных системах.

В 2014 г. была окончательно сформулирована новая концепция оценки минимального стока на примере малых рек Европейской части России (Филиппова, 2014). Очевидно, что данные объекты (малые реки) относятся к категории сложных систем четвертого уровня (Боулдинг, 1969). Целью исследований было изучение характера многолетних колебаний минимального стока малых рек (Филиппова, 1996). Была предложена новая модель, подразумевающая смену условно стационарных периодов гидрологических режимов рек (Филиппова, 1996).

Была установлена возможность применения модели линейного тренда и модели ступенчатого перехода от одного квазистационарного состояния к другому (Болгов, Филиппова, 2006).

Если руководствоваться терминологией МГА – перехода от одного центра модуляции к другому посредством фазового перехода (рис. 4).

Рис. 4. Изменения 30-дневного минимального зимнего стока двух рек в бассейне р. Волги

Fig. 4. Changes in the 30-day minimum winter flow of two rivers in the Volga River basin

Автор упомянутой концепции делает вывод: «Механизм ступенчатых изменений характеризует неравновесную систему, которая может компенсировать внешние воздействия до тех пор, пока они не превысят порогового значения, после чего система переходит на новый квазистационарный уровень» (Филиппова, 2014).

Несомненно, информативность предлагаемого в этой работе метода графического анализа определяется во всех случаях тем, что проанализированные совокупности образуют сложные системы. Иначе говоря, системы, которые, в силу своей многокомпонентности, формируют «отклик» на внешнее воздействие, характерный для сложных самоорганизующихся систем любой природы.

В любом случае необходимо понимать, что те или иные принципы графического построения – это только методологические приемы, преследующие одну цель – продемонстрировать наибольшую наглядность протекающих процессов трансформации в анализируемых сложных системах (Разумовский и др., 2016).

Работа выполнена в рамках Госзадания ИВП РАН тема № 0147-2019-0004.

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

1. Болгов М.В., Филиппова И.А. Пороговые стохастические модели минимального стока // Метеорология и гидрология. 2006. №3. С. 88–94.
2. Боулдинг К. Общая теория систем – скелет науки // Исследования по общей теории систем. Сборник переводов с польского и английского. – М.: Прогресс, 1969. – С. 106–124.
3. Долгоносов Б.М., Корчагин К.А., Мессинева Е.М. Модель флуктуация бактериологических показателей качества речной воды // Водн. ресурсы. 2006. Т.33, №6. С. 686–700.
4. Разумовский Л.В. Оценка трансформации озерных экосистем методом диатомового анализа. – М.: ГЕОС, 2012. – 199 с.
5. Разумовский Л.В.,  Гололобова М.А. Трансформация диатомовых комплексов из озер Борое и Глубокое в конце позднего голоцена // Вестник Московского Государственного Университета. Биологическая серия. 2014. №1. С. 19–23.
6. Разумовский Л.В., Моисеенко Т.И. Оценка пространственно-временных трансформаций озерных экосистем методом диатомового анализа // Доклады академии наук. Общая биология. 2009. Т.429, №3. С. 274–277.
7. Разумовский Л.В., Шумакова Е.М. Метод графического анализа возможных трансформаций территориальных биофонических систем природного и антропогенного генезиса // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т.16, №5-5. С. 1561–1570.
8. Разумовский Л.В., Шумакова Е.М., Филиппова И.А., Разумовский В.Л. Мониторинг долговременных событийных рядов в сложных самоорганизующихся системах методом графического анализа их параметрических пропорций // Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2016). Девятая международная конференция (3–5 октября 2016 г., Москва). Труды в 2-х томах. – М.: ИПУ РАН, 2016. – Т.2. – С. 413–420.
9. Разумовский Л.В., Щеголькова Н.М., Разумовский В.Л. Перспективы применения метода графического анализа таксономических пропорций при изучении фитопланктона Реки Москва // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. 2018. Т. XXIX, №1. С. 5–18.
10. Филиппова И.А. Минимальный сток рек Европейской части России и его оценка в условиях изменения климата: Автореф. дис. канд. геогр. наук. – М., 2014. – 25 с.
11. Филиппова И.А. О вероятностных закономерностях колебаний минимального стока (на примере рек Центрально-Черноземной области) // Водные ресурсы. 1996. Т.23, №4. С. 389–395.

Статья поступила в редакцию 31.05.2022
После доработки 01.08.2022
Статья принята к публикации 06.08.2022

Об авторе

Разумовский Лев Владимирович – Lev V. Razumovskiy

доктор географических наук
ведущий научный сотрудник, Институт водных проблем РАН, Москва, Россия (Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia)

lazy-lion@mail.ru

Корреспондентский адрес: 119333, Россия, г. Москва, ул. Губкина, 3; тел. +7(499) 135-54-30.

ССЫЛКА:

Разумовский Л.В. Обзор результатов многолетних исследований с применением авторского метода графического анализа // Вопросы современной альгологии. 2022. № 1 (28). С. 1–7. URL: http://algology.ru/1813

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-1(28)-1-7; EDN – BFXCEP

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

Review of the longstanding research results using the author's method of graphical analysis

Lev V. Razumovsky

Water Problems Institute of RAS (Moscow, Russia)

The work is devoted to the analysis of long-term studies by the method of graphical analysis. Initially, the method was developed in the study of diatom complexes from modern lake sediments of the European part of Russia. Three initial types of taxonomic proportions of diatom complexes and three scenarios of their transformation have been established. Later, the method was successfully applied in the study of diatom complexes from Late Holocene deposits. The basic concepts and solving information tasks were formulated. Later, this made it possible to successfully analyze long-term transformations in river phytoplankton communities (biomonitoring). A similar model of fluctuations in the number of microorganisms in water has been established. The informative value of the method was demonstrated when analyzing transformations in complex systems that do not belong to the category of living: in rivers and reservoirs.

Key words: graphical analysis; transformations; complex systems

References

1. Bolgov M.V., Filippova I.A. Porogovye stohasticheskie modeli minimal'nogo stoka [Threshold stochastic models of minimal runoff]. Meteorologiya i gidrologiya. 2006. №3. P. 88–94.
2. Boulding K. Obshchaya teoriya sistem – skelet nauki [General theory of systems – the skeleton of science]. In: Issledovaniya po obshchej teorii sistem. Sbornik perevodov s pol'skogo i anglijskogo. Progress, Moscow, 1969. P. 106–124.
3. Dolgonosov B.M., Korchagin K.A., Messineva E.M. Model of fluctuations in bacteriological indices of water quality. Water Resour. 2006. V.33, is.6. P. 637–650 DOI: https://doi.org/10.1134/S0097807806060054
4. Filippova I.A. Minimal'nyj stok rek Evropejskoj chasti Rossii i ego ocenka v usloviyah izmeneniya klimata [Minimal river flow in the European part of Russia and its assessment in the conditions of climate change]: PhD Dissertation abstract. Moscow, 2014. 25 p.
5. Filippova I.A. O veroyatnostnyh zakonomernostyah kolebanij minimal'nogo stoka (na primere rek Central'no-Chernozemnoj oblasti) [On the probabilistic patterns of fluctuations in the minimum flow (on the example of the rivers of the Central Chernozem region)]. Vodnye resursy. 1996. V.23, №4. P. 389–395.
6. Razumovskij L.V. Ocenka transformacii ozernyh ekosistem metodom diatomovogo analiza. [Assessment of transformation of lake ecosystems by diatom analysis]. GEOS, Moscow, 2012. 199 p.
7. Razumovskii L.V., Gololobova M.A. Long-term transformation of diatom assemblages in Lakes Boroe and Glubokoe. Moscow Univ. Biol.Sci. Bull. 2014. V.69, is.1. P. 15–18. DOI: https://doi.org/10.3103/S0096392514010106
8. Razumovskij L.V., Moiseenko T.I. Ocenka prostranstvenno-vremennyh transformacij ozernyh ekosistem metodom diatomovogo analiza [Assessment of spatial and temporal transformations of lake ecosystems by diatom analysis]. Doklady akademii nauk. Obshchaya biologiya. 2009. V.429, №3. P. 274–277.
9. Razumovskij L.V., Shumakova E.M. Metod graficheskogo analiza vozmozhnyh transformacij territorial'nyh biofonicheskih sistem prirodnogo i antropogennogo genezisa [The method of graphical analysis of possible transformations of territorial biological systems of natural and anthropogenic genesis]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo centra Rossijskoj akademii nauk. 2014. V.16, № 5-5. P. 1561–1570.
10. Razumovskij L.V., Shumakova E.M., Filippova I.A., Razumovskij V.L. Monitoring dolgovremennyh sobytijnyh ryadov v slozhnyh samoorganizuyushchihsya sistemah metodom graficheskogo analiza ih parametricheskih proporcij [Monitoring of long-term event series in complex self-organizing systems by graphical analysis of their parametric proportions]. Upravlenie razvitiem krupnomasshtabnyh sistem (MLSD'2016): Proceedings of 9 Intern. conference (Moscow, 3–5 Oct. 2016). IPU RAN, Moscow, 2016. V.2. P. 413–420.
11. Razumovskij L.V., Shсhegol'kova N.M., Razumovskij V.L. Perspektivy primeneniya metoda graficheskogo analiza taksonomicheskih proporcij pri izuchenii fitoplanktona Reki Moskva [Prospects of applying the method of graphical analysis of taxonomic proportions in the study of phytoplankton of the Moscow River]. Problemy ekologicheskogo monitoringa i modelirovaniya ekosistem. 2018. V. XXIX, №1. P. 5–18.

Author

Razumovsky Lev V.

Orcid ID – https://orcid.org/0000-0001-5066-0398

Water Problems Institute of RAS, Moscow, Russia

lazy-lion@mail.ru

ARTICLE LINK:

Razumovsky L.V. Review of the longstanding research results using the author's method of graphical analysis. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2022. № 1 (28). P. 1–7. URL: http://algology.ru/1813

DOI – https://doi.org/10.33624/2311-0147-2022-1(28)-1-7; EDN – BFXCEP

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor,please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147