基于系統(tǒng)動力學的大連城市森林生態(tài)效益動態(tài)仿真

基于系統(tǒng)動力學的大連城市森林生態(tài)效益動態(tài)仿真

森林的生態(tài)效應具有復雜性、動態(tài)性和因果反饋等特點。這不僅與森林資源密切相關(guān)，而且與經(jīng)濟、環(huán)境、社會、人類活動等許多因素密切相關(guān)。因此，有必要對整個過程進行系統(tǒng)的分析，并進行全面的全球研究。根據(jù)森林生態(tài)效益內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行機制,建立了森林生態(tài)效益系統(tǒng)動力學預測仿真模型。該模型通過定性與定量、微觀與宏觀研究相結(jié)合的方法,模擬出總體效益方向及各種類型生態(tài)效益方向,為大連城市森林規(guī)劃、合理開發(fā)利用森林資源提供數(shù)據(jù)資料,而且為森林資源的保護和管理提供決策的依據(jù)。1大連的海洋性氣候特點大連位于遼東半島南端,三面環(huán)海,位于東經(jīng)120°58′～123°31′、北緯38°43′～40°10′之間?？傮w地貌屬于低山丘陵區(qū),其中北部為山區(qū)、中部為低山丘陵區(qū)、南部為低丘漫崗平地區(qū)。大連市屬于南溫帶濕潤半濕潤大陸性季風氣候,但由于受黃海、渤海三面環(huán)繞的影響,又具有海洋性氣候的特點。大連市年平均氣溫8.4～10.5℃,年平均降水量在600～790mm之間。大連市的氣候具有光照充足、空氣濕潤、四季分明、氣候宜人的特點。截至2005年初,大連市城市綠化面積為10142萬m2,覆蓋率為42%;公共綠地面積為2369萬m2,人均公共綠地面積10m2。2學習方法2.1規(guī)則sd系統(tǒng)動力學(SystemDynamics,SD)是研究信息反饋系統(tǒng)動態(tài)行為的計算機仿真方法。它把信息反饋的控制原理與因果關(guān)系的邏輯分析結(jié)合起來,面對復雜的實際問題,從研究系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)入手,建立系統(tǒng)的仿真模型,并對模型實施各種不同的政策,通過計算機仿真,展示系統(tǒng)的宏觀行為,尋求解決問題的正確途徑,其系統(tǒng)觀主要是植根于系統(tǒng)科學的思想體系。系統(tǒng)動力學的方法是麻省理工學院的JayW.Forrester教授于20世紀60年創(chuàng)立的。SD用因果關(guān)系圖(causalloopdiagrams)和棧-流圖(stock-and-flowdiagrams)來描述互相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng),并用仿真語言Dynamo來定量仿真系統(tǒng)的動態(tài)變化特性。其中“棧”表示系統(tǒng)變量的狀態(tài),不同時間點變量的狀態(tài)是不同的;“流”表示系統(tǒng)變量的活動,比如庫存的消耗,人員的雇傭或解聘等。隨著IndustrialDynamics(Forrester,1961)、UrbanDynamics(Forrester,1969)、WorldDynamics(Forrester,1971)、TheLimittoGrowth(Meadows等,1972)等專著的相繼出版,SD也逐漸完善,并得到國際上的廣泛關(guān)注。至此,基于系統(tǒng)動力學的管理決策建模方法也逐漸成熟。在SD的基礎上,不但綜合了系統(tǒng)思考和學習型組織理論,而且融合了先進的計算機技術(shù)。這主要表現(xiàn)在:新的仿真軟件具有友好的人機交互界面、靈活的輸入輸出形式、簡單易懂的操作等優(yōu)點;最重要的是,新的仿真軟件不需要使用者構(gòu)造艱深的數(shù)學算法與方程式,也不需要編寫大量復雜的仿真程序。所以基于系統(tǒng)動力學的管理決策建模方法受到了越來越多的關(guān)注。目前應用較廣的仿真軟件有Powersim,STELLA/ithink,Vensim,Modus等。2.2sd模型系統(tǒng)SD強調(diào)對系統(tǒng)(S)整體性和非線性特性的描述。為了清晰地描述系統(tǒng),SD一般是在盡量完整地描述系統(tǒng)內(nèi)各組成部分之間相互作用的非線性關(guān)系、復雜的因果反饋關(guān)系和生克關(guān)系(Rjk)的基礎上,把系統(tǒng)劃分成若干個相互關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)(P),其描述關(guān)系式如下;S=P,Rjk)P={Pi︱i∈I}Rjk={rik︱j∈J,k∈K且J+K=I}S—整個系統(tǒng);P—系統(tǒng)S中的子系統(tǒng);Rjk—關(guān)系矩陣,描述各子系統(tǒng)間的關(guān)系。接下來是對子系統(tǒng)P的進一步描述。一般SD將子系統(tǒng)劃分為2類:良結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)和非良結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)。良結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)一般由1個或若干個基本單元——一階反饋回路組成。對它們的描述一般用狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量以及其他數(shù)學函數(shù)、邏輯函數(shù)、延遲函數(shù)以及常數(shù)等。比較規(guī)范的數(shù)學描述式:L為狀態(tài)變量;R為速率變量;A為輔助變量向量;L˙L˙為純速率向量,通常為各速率向量R的組合;T為轉(zhuǎn)移矩陣,為變系數(shù)或常值陣;W為關(guān)系矩陣,為變系數(shù)陣,反映變量R與L之間以及A在同一時刻上的各種非線性關(guān)系?？傊?SD模型一般包含對良結(jié)構(gòu)和非良結(jié)構(gòu)的描述說明2個部分,并且以定量描述為主輔以半定量、半定性或定性的描述。因此,可以說SD模型是一種定量模型與概念模型相結(jié)合,而以前者為主體的模型。2.3系統(tǒng)模型的構(gòu)建本文通過應用Windows系統(tǒng)下Vensim-PLE軟件來完成動態(tài)系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建。2.3.1森林生態(tài)效益調(diào)查本模型構(gòu)建及模擬過程中,基礎數(shù)據(jù)信息來源于2004年大連城市森林二類調(diào)查資料,主要對2005-2025年間各種生態(tài)效益的變化趨勢進行預測。大連市2004年森林具體情況見表1。2.3.2基于流變量的速率變量未來發(fā)展狀態(tài)的生態(tài)效益系統(tǒng)模型共選取199個變量、105個常量,其中9個狀態(tài)變量,27個流速變量。由于圖形太復雜,其系統(tǒng)流程略。3結(jié)果和分析通過仿真模型,預測分析出了大連城市森林2005-2025年各項生態(tài)效益。3.152020年,全球總價值仿真結(jié)果如圖1,由圖可知,大連市各林型的森林價值穩(wěn)步增大。隨著時間的增長,各林型森林總價值逐步增大,其中針葉林增大的幅度最多,由2005年的188.50×106元/a增長到2025年的205.82×106元/a(現(xiàn)時價),增長率為9.19%;硬闊林增大的幅度次之,由2005年的95.46×106元/a增長到2025年的109.78×106元/a,增長率為15.01%;軟闊林增大的幅度最小,由2005年的133.56×106元/a增長到2025年的139.46×106元/a,增長率為4.42%。3.2不同生態(tài)效應的結(jié)果分析3.2.1涵養(yǎng)水源效益各林型森林涵養(yǎng)水源效益及價值逐步增大,其中針葉林增大的幅度最多,效益由2.60×107t/a增長到3.13×107t/a,增長率為20.4%,價值由1.35×108元/a增長到1.62×108元/a;硬闊林涵養(yǎng)水源效益由1.68×107t/a增長到1.95×107t/a,價值由8.71×107元/a增長到1.01×108元/a,增長率為16.1%;軟闊林增大的幅度最小,效益由2.05×107t/a增長到2.17×107t/a,價值由1.06×108元/a增長到1.13×108元/a,增長率為5.9%(見圖2、圖3)。3.2.2水土保持效益及增長率各林型森林水土保持效益及價值逐步增大,其中針葉林增大的幅度最多,效益由165995t/a增長到179624t/a,增長量13629t,價值由3.64×106元/a增長到3.94×106元/a(現(xiàn)時價),增長率為8.2%;硬闊林水土保持效益由69054.1t/a增長到81602.1t/a,增長量12548t,價值由1.51×106元/a增長到1.79×106元/a,增長率為18.2%;軟闊林增大的幅度最小,效益由102312t/a增長到108614t/a,增長量6302t,價值由2.24×106元/a增長到2.38×106元/a,增長率為6.2%(見圖4、圖5)。3.2.3森林凈化環(huán)境效應和價值森林凈化環(huán)境效益包括吸收HF效益、吸收SO2效益、滯塵效益。1林分經(jīng)濟效益各林型森林吸收HF效益逐步增大,其中硬闊林增大的幅度最多,效益由32943.4kg/a增長到42217.9kg/a,增長量9274.5kg,增長率為28.2%;軟闊林效益由46028.3kg/a增長到49370.9kg/a,增長量3342.6kg,增長率為7.3%;針葉林增大的幅度最小,效益由8102.99kg/a增長到9425.32kg/a,增長量1322.33kg,增長率為16.3%(見圖6)。這是由于針葉林普遍對HF吸收率比較低(平均0.5kg/(hm2·a)),闊葉林吸收率高(平均4.65kg/(hm2·a))。2硬闊林對so2的吸收各林型森林吸收SO2效益逐步增大,其中軟闊林增大的幅度最小,效益由877233kg/a增長到940937kg/a,增長量63704kg;硬闊林吸收SO2效益由620257kg/a增長到787035kg/a,增長量166778kg;針葉林增大的幅度最大,效益由3.50×106kg/a增長到4.07×106kg/a,增長量0.57×106kg(見圖7)。3滯塵效益各林型森林滯塵效益逐步增大,其中針葉林增大的幅度最多,效益由5382.74t/a增長到6260.08t/a,增長量877.34t;軟闊林滯塵效益由716.27t/a增長到917.91t/a,增長量201.69t;硬闊林效益增大的幅度最小,由1000.78t/a長到1073.45t/a,增長量72.67t(見圖8)。4經(jīng)濟效益分析森林凈化環(huán)境效益價值指吸收HF效益價值、吸收SO2效益價值、滯塵效益價值之和。各林型森林凈化環(huán)境效益價值逐步增大,其中針葉林增大的幅度最多,效益由5.11×106元/a增長到5.95×106元/a,增長量0.84×106元,增長率16.4%;軟闊林滯塵效益由1.09×106元/a增長到1.17×106元/a,增長量0.08×106元,增長率7.3%;硬闊林效益增大的幅度最小,由0.78×106元/a增長到0.99×106元/a,增長量0.21×106元,增長率27.5%(見圖9)。3.2.4各林固碳呼吸效率和價值1硬闊林吸收co各林型森林固碳效益變化趨勢不同,其中針葉林吸收CO2由41548.4t/a減少到31333.5t/a,減少了10214.9t;硬闊林吸收CO2由每年24194.9t/a增長到26595.2t/a,增加了2400.3t;軟闊林由每年27273.9t/a減少到25980.5t/a,減少了1293.4t(見圖10)。2硬闊林釋氧效益各林型森林釋氧效益變化趨勢和固碳效益相同,針葉林是減少的,且幅度較大,效益由30217.8t/a減少到22788.6t/a,減少了7429.2t;硬闊林釋氧效益由17596.4t/a增長到19342.1t/a,增加了1745.7t;軟闊林呈減少趨勢但幅度較小,效益由19835.6t/a減少到18894.9t/a,減少了940.7t(見圖11)。3硬闊林固碳釋氧價值增加到50年各林型森林固碳釋氧效益價值為針葉林逐年減少且幅度最多,價值由2005年的2.25×107元/a減少到2025年的1.70×107元/a;硬闊林固碳釋氧價值由2005年1.31×107元/a增長到2025年的1.44×107元/a;軟闊林逐年減小,價值由2005年的1.48×107元/a減少到2025年的1.41×107元/a。針葉林固碳釋氧效益價值逐年急劇減少,是因為針葉林在2005年針葉林中齡林比例較大,隨著年齡推移,它們大量步入近熟林、成熟林,固碳釋氧能力減弱,而后續(xù)的中齡林較少,導致整體效益減少。4森林綜合效益評價計算模型模擬1)用S.D方法建立的“森林資