У процесі пізнання складних еколого-географічних систем важливе місце належить методу моделювання. Моделювання стану довкілля – метод дослідження будови, функціонування, динаміки та розвитку екологічних об’єктів або процесів з використанням моделей, які певною мірою відповідають оригіналові. Основний методологічний принцип моделювання стану довкілля – системний підхід. Моделювання стану довкілля застосовують переважно з іншими методами, зокрема експериментом і спостереженням.
Моделювання – це опосередковане дослідження тих об’єктів пізнання, безпосереднє вивчення яких іншими методами дуже утруднене або неможливе.
Прості способи моделювання (наприклад, зображення) виникли у результаті багатовікової діяльності людини. Наукове моделювання у своїй першочерговій формі появилось вже в античній науці, а потім відродилось у XV – XVI ст. і отримало подальший розвиток переважно у астрономії, механіці, фізиці, хімії, архітектурі. Однак труднощі, пов’язані з переносом отриманої інформації з допомогою моделі на об’єкт пізнання, довгий час не дозволяли широко застосовувати цей метод у наукових дослідженнях. У результаті НТП у XX ст. метод моделювання набирає важливого гносеологічного значення. Він проникає у всі галузі науки й техніки, де вивчення визначених об’єктів дуже утруднене без побудови й оперування моделями.
Вихідною науковою категорією методу моделювання є “модель”. У широкому розумінні вона трактується дуже багатозначно: як образ, прообраз, зображення, копія, рисунок, план, карта, графік, формули, матриці, описи і т.д.
Моделювання – одна із основних категорій теорії пізнання: на ідеї моделювання базується будь-який метод наукового дослідження – як теоретично (при якому використовуються різноманітні знакові, абстрактні моделі), так і експериментально (використовуючи предметні моделі).
Отже, під моделлю розуміється така думкою представлена або матеріально реалізована система, яка відображаючи або відтворюючи об’єкт дослідження, здатна замінити її так, що її вивчення дає нам нову інформацію про цей об’єкт. У даний час виділяють два основних типи моделей – предметні, або матеріальні, і знакові, або ідеальні.
Предметні (матеріальні) моделі функціонують за законами свого буття, незалежно від того, чи створена ця модель природою або ж сконструйована людиною. Так, сучасні ЕОМ, що використовуються у якості моделюючих пристроїв, є матеріальними моделями, оскільки вони функціонують на основі механічних, електричних і інших фізичних законів світу.
Знакові (ідеальні) моделі, створені людиною в процесі наукового дослідження, а також втілюються у визначену матеріальну форму у вигляді різного роду карт, схем, графіків, формул і т.д.
У процесі екологічних досліджень створені моделі можуть відтворювати, відображати, імітувати ті або інші принципи.
Моделювання включає ряд взаємопов’язаних етапів: 1) формулювання теорії чи гіпотези; 2) розробка екологічної моделі для перевірки цієї теорії; 3) оцінка параметрів обраної моделі; 4) перевірка моделі, статистичні висновки; 5) прогнозування на основі отриманої моделі; 6) застосування моделі (для контролю тощо).
Отже, метод моделювання завжди передбачає наявність трьох складових елементів – об’єкт пізнання (оригінал), дослідник (суб’єкт), модель. Взаємозв’язки між ними є не природними, а складними соціальними відношеннями.
Перенесення одержаних результатів на реальний прототип моделі здійснюють на підставі логічних висновків, гіпотез чи теорії досліджуваних явищ, що уточнюють ідею подібності, пов’язану з формалізованою процедурою моделювання. Іноді початковою стадією моделювання стану довкілля є описові (вербальні) еколого-географічні моделі. Виділяють також наочну форму моделювання стану довкілля, яка передбачає просторові зв’язки об’єктів, співвідношення та взаємозв’язок його частин. Наприклад, у графічних моделях такі зв’язки відображають за допомогою геометричних фігур, стрілок тощо.
У залежності від цілей і рівня еколого-географічного дослідження застосовують різні форми, способи і прийоми моделювання: картографічні, статистичні, математичні, абстрактно-логічні та ін.
Картографічне моделювання. Його основою є атласне картографування.
Статистичне моделювання. Цей спосіб поєднує статистичне картографування (картограми, картодіаграми), порівняльні і динамічні статистичні діаграми і графіки. У процесі еколого-географічних досліджень воно не виключає картографічного моделювання, а значно доповнює його. Карти-моделі повинні включати діаграми і графіки. В еколого-географічних дослідженнях може застосовуватись математична статистика на основі якої створюються морфометричні карти-моделі.
Математичне моделювання. Йому належить особливе місце у еколого-географічних дослідженнях. Математичні методи в екології, коли еколого-географічні явища й процеси представляють у вигляді логіко-математичних схем, рівнянь, алгоритмів. Останні є основою машинного моделювання – чисельного (з використанням ЕОМ) або імітаційного (на аналогових машинах).
Абстрактно-логічне моделювання. Воно охоплює поняття й категорії, закони й закономірності, гіпотези й теорії, логічні й графічні моделі.
Типи моделей
Перш за все моделі можна розділити на фізичні (матеріальні) і уявні.
Математичні моделі поділяють на класи за ознаками, що відносяться до особливостей моделюючого об’єкта, мети моделювання і використовуючого інструментарію: моделі макро- і мікро-, теоретичні й прикладні, оптимізаційні й рівноваги, статистичні й динамічні.
Макро- моделі описують предмет дослідження як єдине ціле, пов’язуючи між собою збільшені показники.
Мікро- моделі описують взаємодію структурних і функціональних складових об’єкта дослідження або поведінку окремих таких складових у навколишньому середовищі.
Теоретичні моделі дозволяють вивчати загальні властивості об’єкта дослідження і його характерних елементів дедукцією висновків із формальних передумов.
Прикладні моделі дають можливість оцінити параметри функціонування конкретного об’єкта і сформулювати рекомендації для прийняття практичних рішень.
У моделюванні особливе місце займають моделі рівноваги. Вони описують такий стан об’єкта дослідження, коли результуюча всіх сил, що прагнуть вивести його із даного стану, рівна нулю.
Нормативний підхід у моделюванні, ґрунтується на оптимізації.
У статичних моделях описується стан об’єкта в конкретний момент або період часу;
динамічні моделі включають взаємозв’язки змінних у часі.
Детерміновані моделі передбачають жорсткі функціональні зв’язки між змінними моделі. Стохастичні моделі допускають наявність випадкового впливу на показники дослідження і використовують інструментарій теорії ймовірностей і математичної статистики для їх опису.
Сьогодні більшість математичних моделей, що широко застосовуються в різних галузях природних і суспільних наук, розподіляють на такі два великі класи: 1) математичні (або аналітичні) моделі; 2) імітаційні (або системні) моделі. При цьому вважається, що в математичних моделях застосовуються, в основному, аналітичні методи, зокрема апарат сучасного математичного аналізу та інших розділів математики, а в імітаційних – принципово обов’язковим елементом дослідження.
Принцип структурно-функціональної відповідності моделі і об’єкта є основним у моделюванні. Реально існуючому об’єкту, залежно від того, які саме властивості чи функції його цікавлять дослідника, можна поставити у відповідність значну кількість моделей.
Незважаючи на велике різноманіття видів моделей і способів їх побудови та постановки на них експериментів, всі види моделювання мають ряд загальних рис:
1) переорієнтація процесу наукового дослідження з об’єкта, що цікавить дослідника, на деякий проміжний об’єкт-модель;
2) наявність незалежної від суб’єкта дослідження деякої відповідності між моделлю та об’єктом, що моделюється, яка в самому загальному вигляді виражається їх структурно-функціональною спільністю;
3) наявність деякої спільності в певному відношенні між моделлю та об’єктом, що моделюється (об’єктивна сторона моделювання) і, в той же час, міра та форма даної спільності задається тією практичною потребою, задоволення якої здійснює дана операція моделювання (практична, суб’єктивна сторона моделювання).
