基于系统动力学的大连城市森林生态效益动态仿真

基于系统动力学的大连城市森林生态效益动态仿真

森林的生态效应具有复杂性、动态性和因果反馈等特点。这不仅与森林资源密切相关，而且与经济、环境、社会、人类活动等许多因素密切相关。因此，有必要对整个过程进行系统的分析，并进行全面的全球研究。根据森林生态效益内部结构及运行机制,建立了森林生态效益系统动力学预测仿真模型。该模型通过定性与定量、微观与宏观研究相结合的方法,模拟出总体效益方向及各种类型生态效益方向,为大连城市森林规划、合理开发利用森林资源提供数据资料,而且为森林资源的保护和管理提供决策的依据。1大连的海洋性气候特点大连位于辽东半岛南端,三面环海,位于东经120°58′～123°31′、北纬38°43′～40°10′之间。总体地貌属于低山丘陵区,其中北部为山区、中部为低山丘陵区、南部为低丘漫岗平地区。大连市属于南温带湿润半湿润大陆性季风气候,但由于受黄海、渤海三面环绕的影响,又具有海洋性气候的特点。大连市年平均气温8.4～10.5℃,年平均降水量在600～790mm之间。大连市的气候具有光照充足、空气湿润、四季分明、气候宜人的特点。截至2005年初,大连市城市绿化面积为10142万m2,覆盖率为42%;公共绿地面积为2369万m2,人均公共绿地面积10m2。2学习方法2.1规则sd系统动力学(SystemDynamics,SD)是研究信息反馈系统动态行为的计算机仿真方法。它把信息反馈的控制原理与因果关系的逻辑分析结合起来,面对复杂的实际问题,从研究系统的微观结构入手,建立系统的仿真模型,并对模型实施各种不同的政策,通过计算机仿真,展示系统的宏观行为,寻求解决问题的正确途径,其系统观主要是植根于系统科学的思想体系。系统动力学的方法是麻省理工学院的JayW.Forrester教授于20世纪60年创立的。SD用因果关系图(causalloopdiagrams)和栈-流图(stock-and-flowdiagrams)来描述互相关联的系统,并用仿真语言Dynamo来定量仿真系统的动态变化特性。其中“栈”表示系统变量的状态,不同时间点变量的状态是不同的;“流”表示系统变量的活动,比如库存的消耗,人员的雇佣或解聘等。随着IndustrialDynamics(Forrester,1961)、UrbanDynamics(Forrester,1969)、WorldDynamics(Forrester,1971)、TheLimittoGrowth(Meadows等,1972)等专著的相继出版,SD也逐渐完善,并得到国际上的广泛关注。至此,基于系统动力学的管理决策建模方法也逐渐成熟。在SD的基础上,不但综合了系统思考和学习型组织理论,而且融合了先进的计算机技术。这主要表现在:新的仿真软件具有友好的人机交互界面、灵活的输入输出形式、简单易懂的操作等优点;最重要的是,新的仿真软件不需要使用者构造艰深的数学算法与方程式,也不需要编写大量复杂的仿真程序。所以基于系统动力学的管理决策建模方法受到了越来越多的关注。目前应用较广的仿真软件有Powersim,STELLA/ithink,Vensim,Modus等。2.2sd模型系统SD强调对系统(S)整体性和非线性特性的描述。为了清晰地描述系统,SD一般是在尽量完整地描述系统内各组成部分之间相互作用的非线性关系、复杂的因果反馈关系和生克关系(Rjk)的基础上,把系统划分成若干个相互关联的子系统(P),其描述关系式如下;S=P,Rjk)P={Pi︱i∈I}Rjk={rik︱j∈J,k∈K且J+K=I}S—整个系统;P—系统S中的子系统;Rjk—关系矩阵,描述各子系统间的关系。接下来是对子系统P的进一步描述。一般SD将子系统划分为2类:良结构子系统和非良结构子系统。良结构子系统一般由1个或若干个基本单元——一阶反馈回路组成。对它们的描述一般用状态变量、速率变量和辅助变量以及其他数学函数、逻辑函数、延迟函数以及常数等。比较规范的数学描述式:L为状态变量;R为速率变量;A为辅助变量向量;L˙L˙为纯速率向量,通常为各速率向量R的组合;T为转移矩阵,为变系数或常值阵;W为关系矩阵,为变系数阵,反映变量R与L之间以及A在同一时刻上的各种非线性关系。总之,SD模型一般包含对良结构和非良结构的描述说明2个部分,并且以定量描述为主辅以半定量、半定性或定性的描述。因此,可以说SD模型是一种定量模型与概念模型相结合,而以前者为主体的模型。2.3系统模型的构建本文通过应用Windows系统下Vensim-PLE软件来完成动态系统仿真模型的构建。2.3.1森林生态效益调查本模型构建及模拟过程中,基础数据信息来源于2004年大连城市森林二类调查资料,主要对2005-2025年间各种生态效益的变化趋势进行预测。大连市2004年森林具体情况见表1。2.3.2基于流变量的速率变量未来发展状态的生态效益系统模型共选取199个变量、105个常量,其中9个状态变量,27个流速变量。由于图形太复杂,其系统流程略。3结果和分析通过仿真模型,预测分析出了大连城市森林2005-2025年各项生态效益。3.152020年,全球总价值仿真结果如图1,由图可知,大连市各林型的森林价值稳步增大。随着时间的增长,各林型森林总价值逐步增大,其中针叶林增大的幅度最多,由2005年的188.50×106元/a增长到2025年的205.82×106元/a(现时价),增长率为9.19%;硬阔林增大的幅度次之,由2005年的95.46×106元/a增长到2025年的109.78×106元/a,增长率为15.01%;软阔林增大的幅度最小,由2005年的133.56×106元/a增长到2025年的139.46×106元/a,增长率为4.42%。3.2不同生态效应的结果分析3.2.1涵养水源效益各林型森林涵养水源效益及价值逐步增大,其中针叶林增大的幅度最多,效益由2.60×107t/a增长到3.13×107t/a,增长率为20.4%,价值由1.35×108元/a增长到1.62×108元/a;硬阔林涵养水源效益由1.68×107t/a增长到1.95×107t/a,价值由8.71×107元/a增长到1.01×108元/a,增长率为16.1%;软阔林增大的幅度最小,效益由2.05×107t/a增长到2.17×107t/a,价值由1.06×108元/a增长到1.13×108元/a,增长率为5.9%(见图2、图3)。3.2.2水土保持效益及增长率各林型森林水土保持效益及价值逐步增大,其中针叶林增大的幅度最多,效益由165995t/a增长到179624t/a,增长量13629t,价值由3.64×106元/a增长到3.94×106元/a(现时价),增长率为8.2%;硬阔林水土保持效益由69054.1t/a增长到81602.1t/a,增长量12548t,价值由1.51×106元/a增长到1.79×106元/a,增长率为18.2%;软阔林增大的幅度最小,效益由102312t/a增长到108614t/a,增长量6302t,价值由2.24×106元/a增长到2.38×106元/a,增长率为6.2%(见图4、图5)。3.2.3森林净化环境效应和价值森林净化环境效益包括吸收HF效益、吸收SO2效益、滞尘效益。1林分经济效益各林型森林吸收HF效益逐步增大,其中硬阔林增大的幅度最多,效益由32943.4kg/a增长到42217.9kg/a,增长量9274.5kg,增长率为28.2%;软阔林效益由46028.3kg/a增长到49370.9kg/a,增长量3342.6kg,增长率为7.3%;针叶林增大的幅度最小,效益由8102.99kg/a增长到9425.32kg/a,增长量1322.33kg,增长率为16.3%(见图6)。这是由于针叶林普遍对HF吸收率比较低(平均0.5kg/(hm2·a)),阔叶林吸收率高(平均4.65kg/(hm2·a))。2硬阔林对so2的吸收各林型森林吸收SO2效益逐步增大,其中软阔林增大的幅度最小,效益由877233kg/a增长到940937kg/a,增长量63704kg;硬阔林吸收SO2效益由620257kg/a增长到787035kg/a,增长量166778kg;针叶林增大的幅度最大,效益由3.50×106kg/a增长到4.07×106kg/a,增长量0.57×106kg(见图7)。3滞尘效益各林型森林滞尘效益逐步增大,其中针叶林增大的幅度最多,效益由5382.74t/a增长到6260.08t/a,增长量877.34t;软阔林滞尘效益由716.27t/a增长到917.91t/a,增长量201.69t;硬阔林效益增大的幅度最小,由1000.78t/a长到1073.45t/a,增长量72.67t(见图8)。4经济效益分析森林净化环境效益价值指吸收HF效益价值、吸收SO2效益价值、滞尘效益价值之和。各林型森林净化环境效益价值逐步增大,其中针叶林增大的幅度最多,效益由5.11×106元/a增长到5.95×106元/a,增长量0.84×106元,增长率16.4%;软阔林滞尘效益由1.09×106元/a增长到1.17×106元/a,增长量0.08×106元,增长率7.3%;硬阔林效益增大的幅度最小,由0.78×106元/a增长到0.99×106元/a,增长量0.21×106元,增长率27.5%(见图9)。3.2.4各林固碳呼吸效率和价值1硬阔林吸收co各林型森林固碳效益变化趋势不同,其中针叶林吸收CO2由41548.4t/a减少到31333.5t/a,减少了10214.9t;硬阔林吸收CO2由每年24194.9t/a增长到26595.2t/a,增加了2400.3t;软阔林由每年27273.9t/a减少到25980.5t/a,减少了1293.4t(见图10)。2硬阔林释氧效益各林型森林释氧效益变化趋势和固碳效益相同,针叶林是减少的,且幅度较大,效益由30217.8t/a减少到22788.6t/a,减少了7429.2t;硬阔林释氧效益由17596.4t/a增长到19342.1t/a,增加了1745.7t;软阔林呈减少趋势但幅度较小,效益由19835.6t/a减少到18894.9t/a,减少了940.7t(见图11)。3硬阔林固碳释氧价值增加到50年各林型森林固碳释氧效益价值为针叶林逐年减少且幅度最多,价值由2005年的2.25×107元/a减少到2025年的1.70×107元/a;硬阔林固碳释氧价值由2005年1.31×107元/a增长到2025年的1.44×107元/a;软阔林逐年减小,价值由2005年的1.48×107元/a减少到2025年的1.41×107元/a。针叶林固碳释氧效益价值逐年急剧减少,是因为针叶林在2005年针叶林中龄林比例较大,随着年龄推移,它们大量步入近熟林、成熟林,固碳释氧能力减弱,而后续的中龄林较少,导致整体效益减少。4森林综合效益评价计算模型模拟1)用S.D方法建立的“森林资