title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Системные принципы в гидрогеологии

Системные принципы в гидрогеологии

В настоящее время в изучении природных объектов наиболее прогрессивным направлением можно считать системный подход, получивший развитие в последние годы. Существуют различные понятийные определения системы, но применительно к методологии исследований все они сводятся к тождеству системностью целостность. Реализация тождества может быть различной: либо через установление отношений взаимодействия, либо взаимосвязи, порядка, иногда через соотношение входа с выходом и т. д. Эти отношения определяют конкретные типы систем, исследуемых в различных сферах научной деятельности. При этом предполагается путь: свойства -> отношение -> объект.
Таким образом, в зависимости от того, через какие параметры мы будем исследовать предмет (объект), какие отношения между параметрами выберем, исследуемый объект может быть системой или не системой. Иными словами, объект может быть расчленен при его анализе так, что возникнет парадокс целостности, т. е. целое будет расчленено на независимые, никаким образом не связанные части. Например, это произойдет, если толщу пород разбить на произвольные объемы. В том случае, когда расчленение по объемам подчинено какому-то правилу, скажем, предусмотрено увеличение объемов сверху вниз в порядке 1:2:3:4:... :n, членение уже будет системным, поскольку по любому известному объему мы сможем восстановить весь объект в изначальных его границах.
Приведенный пример иллюстрирует систему порядка, систему, определяемую заданным правилом, заданным отношением взятых для исследования свойств. Для гидрогеологии такой метод тоже возможен (как общесистемный), но навряд ли он окажется достаточно продуктивным, потому что при этом системы будут носить откровенно формальный характер.
В гидрогеологии именно взаимодействие, реализуемое через разнообразные процессы, позволяет рассматривать объект вода — порода как систему. Можно предложить два критерия для методологического разделения методов исследования таких объектов; отношение к процессам, происходящим в объекте, и отношение к параметрам, описывающим объект. В настоящее время в геологических науках, и в гидрогеологии в том числе, сосуществуют два методологических подхода: генетический и системный.
При генетическом подходе исследуются конкретные процессы, такие, например, как инфильтрация атмосферных осадков в горные породы, испарение, растворение минералов, выпадение солей из раствора и т. д. Поэтому можно говорить, что на процессы наложены ограничения. Ho при этом разрешается использовать любые параметры, характеризующие объект. Следовательно, на параметры ограничения не накладываются.
Для системного подхода эти критерии имеют как бы обратный знак. На процессы ограничения не накладываются, параметры же имеют ограничения. Исследуются изменения объекта вообще. Генетическая расшифровка этих изменений в принципе не обязательна, но не запрещена. Параметры же должны быть неаддитивны, т. е. описывать такие свойства объекта, для которых соблюдается неравенство

где а — свойство частей, на которые расчленен объект; А — это же свойство целого объекта.
Последнее требование определяет системность наших дальнейших построений, поскольку неравенство (1.3), а значит, и неаддитивность свойств создаются в результате взаимодействия частей целого на уровне рассматриваемых свойств.
Из сказанного следует, что среди генетических моделей классической гидрогеологии могло быть сколько угодно и системных моделей. Для этого достаточно было, рассматривая конкретные процессы, оперировать неаддитивными характеристиками. Системный подход не противостоит подходу генетическому, он лишь ограничивает его требованием целостности.
Теперь рассмотрим место системных и несистемных идей в современной гидрогеологии. Исследования по развитию науки привели к пониманию двойственного характера истин и неустранимости теоретических предпосылок в процессе познания. Стало очевидным, что всякая теория начинается с постулирования основных ее принципов, и чем они удачнее, тем лучше внутреннее совершенство и внешнее оправдание всей интеллектуальной конструкции. Однако правила дедукции, с помощью которых такие конструкции создаются, обладают ограниченными возможностями. Поэтому человечество в каждой области наук периодически испытывает дефицит идей, который ликвидируется с помощью новых постулатов. К ним предъявляется лишь одно требование: из новых постулатов предшествующие должны выводиться.
На примере ряда натуральных чисел дискретный характер развития знания блестяще доказал еще в 30-х годах нашего столетия австрийский математик Курт Гёдель, суть теоремы которого сводится к тому, что для постижения полной истины необходима трансфинитная серия творческих актов, пополняющих науку новыми аксиомами, истинность которых мы не доказываем, но угадываем. И каждый раз, совершая такой акт, мы усложняем и совершенствуем наши абстракции.
В основе современных представлений о развитии мира лежит идея эволюционной спирали, которая, бесспорно, относится и к процессу его познания. Рассмотрим кинематику этой спирали, опираясь на следующие два положения: развитие знания происходит дискретно (в соответствии с теоремой Гёделя) и в целом подчиняется экспоненциальному закону (рис. 1.4). Это значит, что от одного постулируемого уровня до другого темп развития вначале медленно, затем очень быстро (почти по прямой) увеличивается, а потом градиенты информации резко падают (в пределе до нуля), что означает практически полную реализацию исходных постулатов. Между постулированными уровнями информации развитие подчиняется, например, логистическому закону, но общая тенденция отражает экспоненциальный закон (из почти прямолинейных отрезков логистических кривых). Здесь важна одна деталь: нижняя асимптота каждой новой логистической кривой соответствует новому постулату А и располагается ниже верхней асимптоты предыдущей кривой В. Иными словами, каждая логистическая кривая имеет свои асимптоты, поскольку ее начало не есть конец предшествующего дискретного шага, а возникает на фоне старого постулата. Какое-то время старое и новое сосуществуют в активной борьбе: старое умирает, что отражено в выполаживании верхней ветви логистической кривой, а новое интенсивно развивается, что отражено в увеличении крутизны нижней части ветви новой логистической функции. Поэтому зона между асимптотами Ai+n и Bi+n протяженностью Atpi (время становления постулата) может быть названа революционной, а зона между Ai+n и Вi+n — эволюционной.

Очевидно, что в такой постановке каждый цикл познания имеет три фазы: первую — революционную, наступающую после очередного акта постулирования и описываемую круто поднимающейся кривой, вторую — эволюционную, описываемую кривой более пологой, третью — кризисную, когда градиент прироста информации на основании старого постулата Ai/At снова резко уменьшается. Интересно, что революционная фаза и кризисная во времени совпадают. Именно поэтому первую фазу мы и назвали революционной. Она революционная не потому, что темп прироста новой информации велик, наоборот, он еще весьма мал, но, во-первых, он возрастает, а не уменьшается, во-вторых, он позволяет получать информацию принципиально иную, чем раньше, в-третьих, он обеспечивает новый цикл эволюции. При этом возникает как бы потеря информации, разрыв псевдоэкспоненты познания. Мы говорим, «как бы» и подчеркиваем это потому, что в силу асимптотического характера логистических кривых приращение Ai на асимптоте происходит за At -> 00. А это означает, что градиент информации равен нулю, т. е. новой информации нет, а точнее, новая и старая информации стыкуются в бесконечности. Происходит разрыв поля информации и переход к новому постулату осуществляется практически мгновенно, его протяженность At -> 0, а градиенты Ai/At -> 00. Следует подчеркнуть, что новый постулат появляется из прошлого, а старое теряется в будущем.
Здесь проявляется один из парадоксов процесса познания, заключающийся в дуализме его дискретности и непрерывности. Если говорить строго, познание почти непрерывно. Действительно, на революционной фазе непрерывность заключается в одновременности развития двух противоположных тенденций, суммарный эффект действия которых создает кажущуюся непрерывность эволюции. Очевидно, что приближения здесь могут быть разные. Применительно, например, к геологическому знанию, известному из курса общей геологии, они были выражены в двух принципах, катастрофизме и униформизме (или актуализме, если придавать ему методологический смысл). От примитивного катастрофизма Ж. Кювье (1769—1832 гг.) наука давно и не без оснований отказалась. Ho этот принцип может быть с пользой возрожден, если под катастрофизмом понимать не геологические и метеорологические явления, а кризисные ситуации более общего плана, связанные с дискретностью поступления и расхода энергии.
Если на рис. 1.4 принять, что асимптота А представляет собой те несистемные начала, которые определили эмпирический этап развития гидрогеологии, то очевидно, что верхняя асимптота В будет ограничивать их полную реализацию. Однако, не доходя до нее по ординате информации, появляются новые постулативные начала Аi+1, системные, которые в настоящее время сосуществуют с началами несистемными. При этом еще раз подчеркнем, что системные начала появились из несистемного развития гидрогеологии, поскольку среди так называемых генетических моделей были модели системные и генетические принципы их не запрещали.
Проиллюстрируем сказанное примерами развития взглядов на происхождение подземных вод, начиная с древнейших времен.

Каждая из указанных гипотез рождалась на основании отдельных фактов и подвергалась проверке непосредственными наблюдениями и экспериментами. Ho иногда требовалось много времени, чтобы ее подтвердить или отвергнуть. Так, например, гипотеза об инфильтрационном происхождении подземных вод была высказана Витрувием Поллио в I в. до н. э., а экспериментально подтверждена количественными методами Э. Мариоттом только в 1686 г. В настоящее время для оценки происхождения подземных вод используются разнообразные данные: химический, газовый, изотопный, микробиологический состав подземных вод, различные методы реконструкций (создания моделей) условий формирования подземных вод. Наиболее сложные задачи возникают, когда происходит смешение вод различного генезиса и необходимо оценить долю каждой составляющей в общем балансе подземных вод.
Из рассмотренных же примеров по развитию представлений о происхождении подземных вод можно видеть, что выдвижение постулатов и накопление фактов всегда были тесно взаимосвязаны друг с другом. Рождение гипотез, хотя и было стихийным процессом, но опиралось на эмпирическое начало. С другой стороны, рождение новых гипотез давало импульс активизации поисков способов их проверки, что в свою очередь приводило к появлению новых постулатов.

title-icon Подобные новости