автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Проблемы комплексного использования ресурсов лесных экосистем (исследовательский и образовательный аспекты)

На правах рукописи

Демяненко Яна Михайловна

Проблемы комплексного использования ресурсов лесных экосистем (исследовательский и образовательный аспекты)

05.13.16 Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание

ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1996 г.

Работа выполнена на кафедре Прикладной математики и программирования механико-математического факультета Ростовского государственного университета

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, проф. А.Б.Горстко

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук С.М.Семенов

доктор технических наук.

проф. С.В.Жак

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт леса и механизации (г.Москва)

Защита состоится У"?'? 1995г. в ^/^часов на заседании диссертационного совета К063.52.12 по физико-математическим и техническим наукам в Ростовском госуниверситете по адресу 344090. г. Ростов-на-Дону. пр. Стачки, 200/1, корпус 2. Вычислительный центр РГУ

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РГУ по адресу:ул.Пушкинская.148

Автореферат разослан £ „.¿V /г^ 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук Муратова Г. В.

тов к условиям работы с программной системой "F0RECBY" и обучении рациональному природопользованию студентов. Игрок может комбинировать и применять различные стратегии лесопользования: рубки:рекреация;побочное лесопользование;искусственное возобновление лесов.В результате он должен получить в целом за игру максимальные экологические и экономические эффекты. Игра построена так,чтобы показать, что в конечном счете экономический эффект зависит от экологичэского. Она также учит принимать решения, принимая во внимание многочисленные факторы, отделяя главное на каждом этапе от несущественного. Программа также дает возможность игроку скорректировать свои действия, поясняя,почему та или иная стратегия оказалась неэффективной на данном участке. Случайный выбор региона лесо-хозяйства. большое число различных комбинаций стратегий создает практически каждый раз различные ситуации, не позволяя применять стандартные решения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАЩИТЕ

4

1. Рассмотрена единая задача прогноза естественной и антропогенной динамики лесных сообществ для комплексного использования территорий. Для ее решения использован метод.основанный на имитационном моделировании.

2. Предложены принципы построения концептуальной модели лесной экосистемы, учетывающие пространственно - временную специфику,многоцелевой характер лесопользования, длительность периода прогноза, сложные системообразующие связи между компонентами системы.

3. Разработан комплекс лесоводственно-экологических моделей, позволяющих описывать естественную и антропогенную динамику древостоев, естественные изменения почвенного покрова ,и под воздействием антропогенных нагрузок, особенности естественного восстановления вырубок, динамику травостоев,грибниц, ягодников и кустарников, динамику урожайности побочной продукции.

4. Подобраны параметры и разработаны специальные функции.

зависящие от основных показателей состояния экосистемы, позволяющие давать количественные и качественные оценки изменений в лесной экосистеме для различных способов эксплуатации лесов. Комплекс моделей служит основой для функционирования имитационной модели при разработке стратегии оптимального лесопользования.

5. Показано, что эффективным средством работы с имитационными моделями лесных сообществ являются компьютерные интегрированные системы с дружественным интерфейсом для конечного пользователя и различными сервисными функциями, обеспечивающими максимум комфорта.

6. Разработана программная система поддержки принятия решения по управлению лесопользованием " F0RECBY ". Проверено функционирование каждого из блоков системы с учетом введенных баз данных лесоводственнотаксационной информации, комплекса моделей для прогнозирования результатов лесохозяйс-твенной деятельности.

7. Разработана учебно - тренажерная компьютерная система "F0RMAN" ( FOREST MANAGEMENT - управление лесными территориями ).поскольку она способствует лучшей адаптации специалистов в условиях работы с программными системами. Для этих целей система использует дополнительные возможности. Показано, что такие системы обучения эффективно дополняют традиционные. Автор выражает искреннюю признательность профессору А.Б.Гор-стко за внимательное руководство и непосредственное участие в работе.Автор глубоко благодарен И.П.Ковалю и другим сотрудникам КФ ВНИИЛМ за внимание к работе и ценные консультации.

СПИСОК РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Деловая игра "Лес"/Горстко А. Б..Демяненко Я.М. .Медалье

М. В., Рудь Е.М.//Интенсификация учебного процесса в высшей школе на базе микропроцессорных вычислительных систем:Тез. докл. Всес. научно-методической конф. - Воронеж,1987.

2. Имитационное моделирование естественной и антропогенной динамики лесных биогеоценозов/Горстко А.Б.,Демяненко Я.М.. Медалье М.В.,Рудь Е.М.//Проблемы экологического мониторин-

ботаны алгоритмы и программное обеспечение по организации ведения лесного хозяйства. Данная система включает разработанные имитационные модели динамики лесных систем с учетом комплексного использования ресурсов,в частности, рекреационного и побочного лесопользования, и инструменты, позволяющие эффективно использовать эти модели.Вследствие этого разработанные компьютерные системы можно использовать и для исследовательских целей при проведении лесоводческих и лесохозяй-ственных экспериментов и для образовательных целей при обучении и повышении квалификации специалистов. АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты докладывались на Всесоюзной научно-методической конференции по интенсификации учебного процесса в высшей школе на базе микропроцессорных вычислительных систем (Воронеж,1987),в областной XVII школе-семинаре по математическому моделированию в проблемах рационального природопользования (Ростов-на-Дону, 1990), областной XVIII школе-семинаре по математическому моделированию в проблемах рационального природопользования ( Ростов-на-Дону, 1991), семинарах отдела ММЭЭ НИИ М и ПМ РГУ, кафедры ПМ и П РГУ(1994-1996), межлабораторном семинаре КФ ВНИИЛМ (1§95). ПУБЛИКАЦИИ. По диссертационной теме опубликовано 7 работ. ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, пяти гдав,выводов и списка литературы.Общий объем работы равен 150 страницам машинописного текста, основное содержание изложено на 79 страницах, введение и заключение составляют 11 страниц, список литературы, содержащий 135наименований, из них 7 - работы иностранных авторов, занимает 10 страниц. Диссертация содержит также 8 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении дана общая характеристика работы.

Первая глава посвящена обзору современного состояния лесных ресурсов и путей к оптимиза1даи лесопользования. По современным представлениям лесопользование ставит целью извлечение из лесов всего разнообразия их полезных свойств, включая экологические, экономические и социальные потребности че-

ловека. Существующее разделение пользования лесом на главное и побочное, куда входят все остальные продукты леса, теряет свое значение. Преобразование естественных лесов в рекреационные совпадает с современной ориентацией лесного хозяйства на комплексное использование лесосырьевых ресурсов,так как рекреационные леса способны в полной мере выполнять и другие функции.Поскольку экономическая и сырьевая полезности конкурентны, п редставляет интерес определение такого режима эксплуатации лесных ресурсов, при котором они с учетом всех их полезных свойств,использовались бы наиболее эффективно. Специфическими особенностями лесохозяйственной деятельности являются многоцелевой ее характер, длительность периода производства, короткий рабочий период,отсутствие единых количественных измерителей несырьевых функций леса, эффект запаздывания, расхождения между краткосрочными потребностями и долгосрочными целями, опасность необратимой деградации природной среды. Свойства лесной экосистемы как экономически целостной системы определяются не только и не столько суммированием свойств ее отдельных компонент, сколько свойствами ее структуры или, как их называют,системообразующими связями рассматриваемого объекта. Таким образом,задача состоит в соединении в единое целое весьма разнообразных компонентов лесной экосистемы. Адекватность и практическую полезность модели необходимо оценивать с точки зрения возможностей решения конкретной задачи.Математические модели служат незаменимым инструментом количественного анализа последствий антропогенного воздействия на окружающую среду. Адекватная модель эколого-экономической системы по сути представляет собой систему моделей. Следует отметить,что для использования математических моделей необходимы многочисленные служебные средства, позволяющие организовать хранение и поиск данных, их ввод-вывод в режиме диалога, корректировку управлений по ходу решения задачи, иллюстрацию результатов, доступ к справочной информации.

Во второй главе описано исследование динамики лесных эколого-экономических систем.

Основой для разработки проблемы является учение о лесных биогеоценозах, сформулированное академиком В.Н.Сукачевым. Из

положения о биогеоценозе вытекает принцип построения моделей динамики лесных сообществ в виде системного анализа биогео-ценотических связей.

Из подходов к моделированию процессов роста и развития насаждений следует назвать построение таблиц хода роста дре-востоев (В.В.Антанайтис, В.В.Загреев, Н. П.Анучин. Н. Н.Свалов. А. Н.Федосимов и др.).Известны попытки создания теоретической биофизики леса (Г.Ф. Хильми),регрессионного анализа (И. В.Кар-манова,В.В.Кузьмичев,И.А. Терсков. В.А. Усольцев, КФВНИИЛМ), ал-лометрических моделей (Г. Б.Кофман). аналитического моделирования, использующего аппарат дифференциальных уравнений и случайных процессов (Г.П. Карев. А.С.Комаров, Ю. Б. Андреев). Однако, настроенность таксационных таблиц на нормальные или модальные сообщества и строго определенные регионы значительно ограничивают возможность их применения для прогноза динамики древостоев; функции роста не отражают индивидуальных особенностей конкретных лесных биогеоценозов, относятся к чистым одновозрастным насаждениям, имеющим максимальную или оптимальную полноту. Радиальный прирост и прирост по высоте, не всегда адекватно отражают интенсивность и направление воздействия изучаемого фактора на древостой.Недостатком регрессионных моделей является то, что они - стационарны, не отражают динамики популяций.рассчитаны на короткий период прогноза, в них не учтена "чувствительность" отдельных компонентов лесного биогеоценоза к рекреационным нагрузкам. Аналитические модели дают детальное описание одного или нескольких явлений лесного сообщества, но они не охватывают всего многообразия системы,абстрагированы от действительности и дают лишь качественную характеристику реальных объектов, поэтому мало пригодны для решения прогнозных задач, при решении которых более целесообразно использовать имитационные модели; они хороши благодаря возможности имитации некоторых уникальных свойств объекта,позволяют формализовать основные положения системного анализа .

Проведен анализ имитационных моделей: - модели роста отдельных деревьев.почти все из которых основаны на принципах, сформулированных И.А.Полетаевым (Н.А.Бородина; В.В.Галицкий,

А.С.Комаров;И.А.Полетаев;П.Рачко);- работы по имитации динамики лесных ценозов. - по учету конкурентных взаимоотношений между их членами (В.В.Бугровский; Г.П.Карев; И.В.Карманова. Ю. П. Иванилов; М. Д. Корзухин. М. Т. Тер-Микаэлян; М. В. Придня); - модели возрастной структуры древостоев (А.И.Бузыкин. Р. Г.Хлебо-прос; М.Д.Корзухин; В.В.Луданов. А.А.Дзедзюля);- возрастной и морфологической ( А. К.Черкашин ). пространственной структуры (А.К.Черкаишн);- модели лесных сукцессий (М.Д. Корзухин). Однако. многие имевшиеся ранее модели имитируют развитие лишь одной компоненты леса. Поэтому они, являясь эффективными при решении частных задач, не могут правильно отразить динамику лесной экосистемы в целом.Практические задачи лесного хозяйства требуют создания многокомпонентных моделей, учитывающих сложную видовую структуру древостоев, динамику побочных ресурсов, их взаимное влияние.Теоретическая основа для построения таюрс моделей разработана - это важнейшие положения лесной экологии (Ю.Одум.С.М.Разумовский,П. М. Рафес), биогеоценологии. фитоценологии, геоботаники и т.д.

На основании всего вышеизложенного напрашивается вывод о необходимости внесения изменений в традиционно применяемую схему имитационного моделирования экосистем. С этой целью представляется возможным конкретизировать построение концептуальной модели путем введения этапов макроподхода, микроподхода. учета специфики пространственно-временной структуры и отражения дополнительных особенностей.

Основная задача настоящего исследования состоит в следующем: создание моделей,позволяющих прогнозировать естественную и антропогенную динамику лесных сообществ(в первую очередь динамику недревесной продукции),и построение компьютерной системы, дающей возможность выбирать наиболее рациональную эксплуатационную политику.позволяющую оптимально использовать естественный репродуктивный потенциал. В общем виде математическое описание задачи прогноза может быть сформулировано следующим образом.В момент времени 10 имеется множество Х10={Х1.Х2.....Х„} - количественно и качественно характеризующее лесное сообщество.И- число рассматриваемых компонентов системы,Хх - вектор,описывающий состояние 1-ой компо-

ненты.Например. Х3 - описание древостоя:ХЛ={ХЛх,Хл2.....Х3п}.

где Х-,] - запас. Х32- прирост. Х33- качество и т.д.; ш- число рассматриваемых показателей.В случае учета пространственной неоднородности территории площадь,покрытая лесом, разбивается на однородные пространственные ячейки. И.соответственно, множество Х10 и все его компоненты изменяются по пространству, т.е. Х10=Х10(г),Х1=Х1 (г).Х1к=Х1к(г).где г - пространственная координата.т.е. номер соответствующего участка.В моменты времени И.Ь2____ на лесной комплекс оказываются определенные

антропогенные воздействия (сбор побочной продукции,различные формы рекреации,рубки древостоя и т.п).Их интенсивности обозначены через ига(г),где время осуществления воздействия, э- его номер в общем перечне,г- участок леса,на котором воздействие осуществлено. По известному Х10 и значениям иС8(г) необходимо определить,каким будет состояние лесного сообщества Х( в момент времени ЪО+Т, где Т - выбранный период прог-' нозирования; также необходимо выбрать оптимальную эксплуатационную политику с учетом долговременного непрерывного и не-истощительного лесопользования.

В третьей гдаве рассматривается концептуальная*'модель динамики лесной экосистемы под влиянием антропогенных нагрузок. В основу построения концептуальной модели были положены следующие основные принципы: 1)территория региона разбивается на районы, максимально однородные по своим природно-хозяйст-венным характеристикам; 2)основу модели образует описание би-огеоценотических процессов в экосистеме. В действительности эти процессы неотделимы от антропогенной деятельности, но в модели их удобно рассматривать в отдельном блоке; 3)в качестве главных видов антропогенного воздействия на природную среду рассматриваются: потребление природных ресурсов, изменение качественного состояния природной среды,восстановление ее ресурсов:4)количественная и качественная оценки изменений в экосистеме производится с помощью специальных функций, зависящих от основных показателей состояния экосистемы.В качестве объекта моделирования используется водосборный бассейн малой реки как замкнутая в гидрологическом отношении территориальная единица,объединяющая все элементы системы.Концеп-

Схема естественных взаимосвязей и компонент лесной экосистемы, учитываемых в моделях.

Таблица 3.1

туальная модель рассматриваемой системы разбивается на блоки таким образом, чтобы связи между переменными внутри блока были сильнее, чем между переменными разных блоков. В качестве оценок состояния берутся значения критериев оптимальности многоцелевого использования лесных ресурсов: -доход от лесопользования;- стадия дигрессии, характеризующая общее состояние лесной территории; -запас древостоя главной породы; -плотность почвы;-вытоптанность напочвенного покрова. Критериями отрицательного экологического воздействия являются:- степени минерализации почвы на вырубках;- степень повреждения зарослей ягодников;- степень изменения площади грибниц.Режим прогнозов предоставляет пользователю три возможности: а)просмотр на выбранных участках последствий заданного варианта лесопользования^) поиск оптимального варианта освоения лесного участка;в) поиск оптимального варианта освоения лесных ресу-

Схема процессов, происходящих в рекреационных лесах и учитываемых в моделях.

Таблица 3.2

рсов водосборного бассейна. Разработанная модель учитывает основные естественные и антропогенные процессы динамики древостоя, почвы,травостоя, ягодников,грибниц,рекреационного лесопользования, выпаса скота, проведения подсочки, трансформации угодий и других видов деятельности. Действие антропогенных влияний определяется по принципу наложения на естественную динамику компонентов системы.

Вследствие особенностей и специфики процессов в лесном биогеоценозе нами принято следующее положение: в моделях все антропогенные воздействия влияют на изменение стадий дигрессии, которые уже в свою очередь влияют на состояние компонентов лесной экосистемы. Выбор в качестве интегрального показателя состояния древостоя - стадий дигрессии не случаен. По этому показателю накоплен немалый фактический материал' (Реп-шас,Казанская). Величина же напочвенной поврежденности может быть и кажется более перспективной, но количественных данных, позволяющих ее измерять, а тем более устанавливать какие либо зависимости,связывающие эту величину с основными показателями лесных систем, практически нет.А для их получения необходимы длительные эксперименты.

В четвертой главе представлены модели естественной и антропогенной динамики лесных сообществ.Первый раздел содержит основные уравнения. Имитационная модель представляет собой математическую формализацию блоков концептуальной модели. При формализации учтены балансовые соотношения и эмпирические закономерности динамики лесных насаждений. Основной шаг моделирования выбран равным одному году. В состав имитационной модели входят следующие блоки:динамика запаса и возраста древостоя;возобновление; естественная динамика почвенного покрова; влияние: рубок, различных видов подсочки,влияние рекреации на лесную экосистему;"качество" древостоя;динамика:ягодников, травостоя, грибниц; влияние: выпаса скота,сбора недревесной продукции на экосистему; экономическая и экологическая оценки лесопользования. Влияние на экосистему подразумевает: а)на зрелые насаждения; б)на подрост;в)на травостой;г)на ягодники; д)на грибницы; е)на почву.Выбор вектора состояния основан на ряде естественных предположений и учитывает сущест-

венные биогеоценологические процессы и важнейшие антропогенные воздействия.которые в модели представлены с помощью векторов управления.

- запас древостоя в 1-ом году . куб.м/га Е?! - численность подроста в 1-ом году . тыс. шт./га ТП1 - возраст древостоя в 1-ом году , лет ТР1 - возраст подроста в 1-ом году , лет ОЮ^ - степень дигрессии в 1-ом году . баллы РР^ - плотность почвы в 1-ом году . г/куб.см РБ! - мощность почвенного слоя в 1-ом году , см Ч?1 - вытоптанность почвы в 1-ом году . % иУ! - урожайность ягод в 1-ом году , кг/га РУ^ - проективное покрытие ягодников в 1-ом году . % исг - урожайность грибов в 1-ом году . кг/га РС4 - проективное покрытие грибниц в 1-ом году , % 1ГГ! - урожайность лекарственных трав, кг/га РТХ - проективное покрытие лекарственных трав, % Е4 - прибыль от хозяйственного лесопользования, руб.

Для имитационных экспериментов были выбраны N сценариев. Каждый сценарий характеризуется: долями выбираемого " запаса древесины,интенсивностью воздействия на различные компоненты экосистемы.рекреационной нагрузки (чел/га/год), долями выбираемого запаса недревесной продукции, стоимостью производимых работ. С целью восстановления связей между антропогенными нагрузками и отдельными компонентами экосистемы, а также внутренними связями между самими компонентами был построен ряд моделей, исходным экспериментальным материалом для которых служили результаты опытов по моделированию антропогенных нагрузок, а также литературные данные.

Перечень параметров,далее используемых в уравнениях: - запас древостоя.куб. м/га; 1 - номер года; РБ - коэффициент прироста запаса древостоя в долях ТО! - возраст древостоя; РОИ)- порода древостоя (запас пересчитывается для каждой породы отдельно со своими собственными коэффициентами, затем лодсчитывается суммарный запас, посредством суммирования запаса по породам);Б]^ - степень дигрессии:^- численность рекреантов; ^ 3 - интенсивность изъятия в зависимости

от типов рубок J1 в долях выбираемого запаса древесины: jl -представляет собой информационный вектор, каждая компонента Jlj которого обозначает способ рубки леса,PODS!- тип подсочки; TPj. - возраст подроста; ZPt - численность подроста, тыс. шт. на га; PRP - коэффициент прироста подроста в долях ZP; IZ1 -коэффициент изъятия подроста; J2j - вектор, каждая компонента которого означает комбинацию способов рубки и транспортировки; IZ2 - коэффициент изъятия подроста в зависимости от типа рекреации и числа рекреантов^!- вектор типов рекреации;KR-крутизна склона;IZ3- коэффициент изъятия доли подроста в зависимости от выпаса скота; Yd?!^ ) - степень дигрессии,соответствующая имеющейся годовой нагрузке; Ut.33 - информационный вектор, каждая компонента которого означает комбинацию способов рубки и транспортировки; Vlk - численность скота при пастьбе;ND^q- численность сборщиков побочной продукции; q- виды побочной продукции:g2- типы рекреации:ZYlt34.ZG1>g4.

р4 ~ запасы ягод, грибов и лекарственных трав; UYl34. UGi.g^.UTi.р4 " урожайности перечисленных продуктов: PY1>34. pC¡i. g4, PV p4- проективные покрытия; S- лесопокрытая площадь; PPt- плотность почвы;J4, g4, р4 - виды ягод,грибов,лекарственных трав; 2Í - запас продукта на единице площади; PSt - мощность поверхностного слоя;VD - тип леса; VID - вид продукта; Pt- проективное покрытие:Ut - урожайность;KS^)5 - интенсивность изъятия в долях от Pt в зависимости от типов срезки J5;KV, - коэффициент восстановления в долях от Pt.

Основные уравнения модели:

1. ZDt * j-ZD!+PD(ZDt.TDt. PORD.DIGRt.P0DSt)* (1)

ZDt-Ulf31*ZDt Уравнение динамики запаса древостоя описывает изменение запаса древостоя в зависимости от возраста древостоя, его породного состава,степени дигрессии, а также учитывает объем изъятой древесины в зависимости от типов рубок.

2. ZP1 + t«ZP1+PRP(ZP1.TP1.PORZ.DIGR1)'»ZPi- (2)

Z1 (Ut., 2. KRt) *ZPt-IZ2 (REKR4. gi. NRi )*

ZPj-IZSiNBi)*ZP, Уравнение динамики численности подроста описывает изменение численности подроста в зависимости от возраста древостоя, его породного состава, степени дигрессии.

а также учитывает численность изъятого подроста в зависимости от типов рубок и транспортировки и в зависимости от типа рекреации и числа рекреантов.

3. DIGRi + 1 = (Y(R1M,V1 + i)+DIGR1)/2+l 13.1) DIGR1<-1 =(Y(R1 + 1, V1 + 1 )+DIGR! )/2 (3.2)

Уравнения определения стадии дигрессии в новом году с учетом дигрессии в предыдущем и вновь получаемых нагрузок. При этом учитывается временное запаздывание на снятие нагрузок.Тщательно обоснован выбор степени дигрессии в качестве характеристики интегрального показателя древостоя.

4. PPi + 1=PP1*KR(U1 + 1.33.R1M.g2.V(J3 + lilc,ND(1M.q) (4) Уравнение динамики плотности почвы описывает изменение плотности почвы в зависимости от способов рубки и транспортировки. от вида рекреации и числа рекреантов. численности сборши-ков побочной продукции, численности скота при пастьбе.

5. Изменения мощности поверхностного слоя почвы, площади повреждения напочвенного покрова, степени минерализации, отчуждение на волока рассчитываются по формулам, аналогичным формуле, описанной в п. 4.

6- ZYj.^-UYJ.J^PY^.^S (6.1) <

ZGi.gí^G^g^PGi.g^S (6.2)

zt1;P4=UT1;p1*PT1;p4*S (б.з)

Уравнения динамики запасов побочных продуктов: ягод, грибов, лекарственных трав.Так как проективные покрытия и урожайности рассматриваются как независимые переменные, продуктивность угодий можно представить как произведение урожайности с единицы площади и проективного покрытия в %. 6.4 Zt »UtZDi. TDi. ZPt. TP!, PPi, PSX. VD. VID) *Pt (6.4)

Уравнение динамики запаса продукта

6. 5 Ui =/(ZÜ!. TDj. Z?i. TPt. PPt. PSi, VD. VID) (6. 5) Величина урожайности зависит в свою очередь от запаса древостоя, его возраста, запаса и возраста подроста, плотности почвы, мощности поверхностного елея типа леса.

6.6 Pl + 1=/(TD1 + 1.VDlM,VID,DIGRltl )-KSlf J5* (6.6)

pi+ + , (VD^KS^ •,5)*P1 Уравнение динамики проективного покрытия зависит от степени дигрессии.интенсивности изъятия в зависимости от типа срезки и коэффициента

восстановления. а также от типа леса, от возраста древостоя и условий произрастания продукта.

7. Е=С(d)*SD*KAC-(S(г)+S(t))*SD+C(г)*NR+C(p)*SP-S(p)*SP+ (7) С(s)*NSS(nr)*NR-S(S)*NS+C(y)*SY-S(y)*SY+C(g)*SG-S(g) * SG+C ( t ) *STS (pos) *P0S Оценка экономического эффекта, где Е- прибыль от хозяйственного лесопользования;С(d),С(г).С(р). C(s),C(y).C(g),C(t) - цены на древесину, плата за рекреацию, выпас скота, цены на продукты подсочки, на ягоды, грибы, лекарственные травы ;. S(r), S(t), Sip). S(nr). S(s). S(y). S(g), S(t) - затраты на: рубку,транспортировку древесины, подсочку, осуществление рекреации,выпаса скота, сбора ягод, грибов,лекарственных трав; SD.SP,SY.SG,ST, NR. NS - объем заготовленных древесины, продуктов подсочки, ягод, грибов, лекарственных трав, численность рекреантов, численность скота для выпаса; SY. SG, ST - коэффициенты полноты изъятия побочной продукции, ч

Экологическое состояние экосистемы, поведение которой описывает данная модель определяется степенью дигрессии DIGR. а экономическое - прибылью от хозяйственного лесопользования.

Во втором разделе четвертой главы рассмотрено определение видов функциональных зависимостей и идентификация параметров Полное решение проблемы идентификации потребовало реализации специальной программы экспериментов и наблюдений на стационаре и проведение регрессионного и корреляционного анализа данных, полученных из этих программ и литературных источников. Разработаны функциональные зависимости для следующих переменных: PDt - коэффициенты прироста запаса древостоя; PPj- коэффициенты прироста подроста ZP; КР- коэффициенты из.- менения плотности почвы; KS - коэффициенты изменения поверхностного слоя почвы; KNP- коэффициенты изменения напочвенного покрова; КМ - коэффициенты изменения степени минерализации почвы; КО коэффициенты отчуждения на волока; PY3. PGg. РТр -коэффициенты восстановления проективных покрытий ягодников, .грибных угодий и зарослей лекарственных трав .UY3,UGg.UTp -урожайности соответственно ягодников, грибных угодий и зарослей лекарственных трав; KV - коэффициент восстановления недревесной продукции, где 1 - порода деревьев, J - вид ягод,g -вид грибов,р - вид лекарственных трав. Опишем подробнее те из

них, которые представляют наибольший интерес.вследствие присущих им определенных особенностей или. наоборот, являющихся характерными для ряда аналогичных процессов. 1. Динамика проективного покрытия ягодников /на примере черники/. Тесноту связи между показателями черничника и характеристиками древостоя иллюстрируют коэффициенты корреляций. Проективное покрытие/наиболее информативный показатель/ тесно связано с возрастом и полнотой древостоя, причем теснее

I Древостой

Показатель I---------------------------------

I возраст (А) I полнота (Р)

I А I А*А I 1п(А)I Р

проективное покрытие 1 0. 85 I 1 0. 73 I ! 0. 82 I 0. 63

высота побегов 1 0. 77 I 1 0. 58 1 1 0. 92 I 0. 89

годовой прирост побегов 1 0. 64 1 ! 0. 47 1 1 0. 85 I 0. 80

число парциальных кустов! 0. 55 I ! 0. 60 1 1 0. 33 1 -

г-

всего - с возрастом древостоя линейной зависимостью.

2.Восстанавливаемость проективного покрытия зарослей ягодников после срезки в зависимости от интенсивности изъятия. Коэффициент корреляции между восстанавливаемостью проективного покрытия зарослей ягодников после срезки и величиной интенсивности изъятия равен 0.84.В процессе анализа получено уравнение следующего вида у=1.301672-0.007316*х, где у - коэффициент восстановления.х - процент изъятия. Итак,

РИП =РЕ0*(1.301672-0.007316*12),где 12 -процент изъятия; РИ0, Рйп- проективное покрытие до и после срезки.

3. Динамика запаса грибных угодий. ию=1ШСН(Т0, УЮ, УЮСИ). где, ТЭ - возраст древостоя, тип леса.УЮСЕ - вид грибов, КЙИ -коэффициент низкой или высокой урожайности. Зависимость от возраста древостоя является определяющей. Годичная динамика плодоношения грибов выражается формулой урожайности, в которой указывается количество лет с высоким(В), средним (С) или низким (Н) урожаями за ревизионный период по результатам

многолетних наблюдений. Итак, URGR=URGR(TD. VD, VIDGR)*KGR -урожайность грибов,зависящая от возраста древостоя,типа леса и вида грибов и принимаемая за среднюю, умножается на коэффициент низкой или высокой урожайности,учитываются потери биологического урожая за счет червивости грибов. 4. Uj.! =А VD. VID, TDt) *KKj (ZDj. РРА. PSj. КРХ) Динамика урожайности лекарственных трав, где U13-урожайность. ZDj - запас древостоя.TD3- возраст древостоя, РР3 - плотность почвы,PSj- мощность поверхностного слоя.\Ф - тип леса.VID -вид продукта,КР3 - коэффициент конкурентноспособности. Освещенность и радиационный баланс учитываются опосредованно через состояние древостоя. С помощью корреляционного и регрессионного анализа расчитаны коэффициенты влияния на урожайность в зависимости от запаса древостоя.плотности почвы,мощности почвенного слоя,от наличия других конкурирующих видов.

В моделях использовались фактические данные по Северно- ' му Кавказу (КФВНИИЛМ) и по Прибалтике (Репшас). Значительный объем исследований по изучению экологической роли, роста и развития лесных насаждений выполнен на комплексном лесогид-рологическом стационаре "Аибга",заложенном КФВНИИЛМом'в 1963 году. Результаты расчетов по построенным имитационным моделям апробированы на фактических данных экологической системы горных лесов Северного Кавказа. Результаты моделирования совпадают как с теоретическими представлениями, так и с реально описанными явлениями.Они иллюстрируют многие важнейшие положения лесной науки.

Пятая глава посвящена компьютерным системам как средствам решения задач по управлению лесными территориями. Она состоит из двух разделов.

Первый раздел описывет компьютерную систему "F0RECBY". являющуюся инструментом решения задач прогнозирования динамики лесных эколого-экономических систем. Она является удобным средством прогнозирования динамики лесных эколого-эко-номических систем.Она существенно расширяет возможности прогнозирования и анализа последствий антропогенных воздействий на лесные системы,предоставляет возможность задавать различные условия протекания процессов и управляющие воздействия

пихта, ель

9

ЛИСТС^ЫНИ! Д^Е

ГРЭ.Б 4

2

ясень Береза

ель:-.г* 0.8 осина

липа 0

ОБЩИЙ

■ ¡ммши 1 829 ■

I ¡ШЙ1 1 1

ВИБОр-

помода»'-' терри- - тории".

' апиоакие территории.

эконоии- > сценарии -

^НЬ^А^Х^'-ГН-РИЗ].,; >■. ЕЭС- • - стратегии*модели??-. ----- • • - . -паво-чного.рование. .графики виход

•^зовад««-"^'.;/':/'. - „ / ; ,

ГК1*'!

при помощи интерфейса пользователя.Работа с главным меню основана на использовании пиктограмм либо функциональных клавиш. В системе предусмотрены: работа с мышью, поддержка обработки специальных случаев, интерактивная справочная система по программному продукту. С точки зрения конечного пользователя система предусматривает дружественный интерфейс и максимум удобств. Результаты моделирования представляются в виде таблиц, графиков и диаграмм. На экране всегда имеется информация о текущем состоянии участка. Ниже приведено описание интерфейса. Разработана система меню,включающая следующие пункты: -получение помощи; -выбор территории, на которой осуществляется управление ресурсами; - просмотр описания территории:

- просмотр и задание экономических показателей; - выбор сценариев рубок;- выбор стратегий побочного лесопользования;

- моделирование;- просмотр графиков;- выход из системы. Пункт просмотра описания территории позволяет получить данные, характеризующие растительность для конкретного типа леса на выбранном участке. Для работы с экономическими показателями предоставлены две возможности: оперировать с уже имеющимися в системе или внести свои изменения. В системе заблокированы несовместимые сценарии. Программная система поддержки принятия решений по управлению лесопользованием реализована в среде QC на персональных компьютерах серии IBM PC AT.

Второй раздел описывает деловую игру "FORMAN".являющуюся средством решения задач обучения и тренинга.

Новые возможности развития науки и техники потребовали и нового качества подготовки специалистов во всех областях знаний.Компьютеризованное обучение эффективно дополняет традиционное. Деловые игры на ЭВМ способствуют лучшей адаптации специалистов к условиям работы с программными системами; в исследовательских целях служат для сбора новой информации, для проверки гипотез и теоретических положений, для организации работы "междисциплинарного" коллектива.Деловая игра выступает как средство реализации теоретического потенциала имитационных систем.

Цель разработанной игры "FORMAN" (FOREST MANAGEMENT -управление лесным хозяйством) состоит в адаптации специалис-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. Актуальным направлением природопользования является комплексный подход к освоению сырьевых ресурсов, охране окружающей среды. Особенно выделяется задача рационального природопользования с извлечением максимальной прибыли при непрерывном долговременном неистощительном режиме эксплуатации лесных ресурсов.Знание текущего состояния системы и возможность надежного прогноза их динамики нужны для адекватной оценки запаса всех ресурсов, поставляемых лесом, степени устойчивости. возможности восстановления исходных состояний экосистем.Рациональное использование побочной лесной продукции требует изучения закономерностей динамики растительных сообществ, определения оптимальных фитоценотических и экологических условий их развития.

При решении названных проблем эффективно применяются ме- ' тоды математического моделирования. При этом многие модели построены без учета того факта, что лесные сообщества являются сложными системами со следующей спецификой : многоцелевой характер лесопользования, длительность периода прогноз^, сложные системообразующие связи между компонентами системы, пространственно-временная специфика, отсутствие единых количественных измерителей несырьевых функций леса и т. д.Отражение этих аспектов требует системного анализа рассматриваемых лесных сообществ.В данной работе рассматривается возможность такого подхода и на этой основе строятся имитационные модели динамики лесных экосистем под воздействием антропогенных нагрузок. Построенные модели применяются для решения сравнительно широкого круга задач. Осуществляется анализ полученных результатов и сопоставление их с экспериментальными данными, в качестве которых использовались результаты многолетних наблюдений на стационарах.Наличие отдельных попыток проведения расчетов экономической эффективности заготовки побочных продуктов свидетельствует о настоятельной необходимости иметь надежный инструмент прогноза динамики лесных экосистем с учетом комплексного ведения хозяйства.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ. Целью данной работы являются постановка общей задачи прогноза естественной и антропогенной динамики лесных

сообществ в условиях комплексного использования лесосырьевых ресурсов: математическая формализация задачи, выработка единого подхода к ней с позиций имитационного моделирования и решения на этой основе конкретных проблем лесоведения, являющихся частными случаями и модификациями общей проблемы прогноза динамики лесов; разработка средств реализации решения этих задач, разработка моделей динамики лесных сообществ в нормальном с точки зрения лесопатологии состояния;построение компьютерных интегральных систем, поддерживающих построенную модель.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.Реализован единый подход к решению различных задач лесоведения и комплексного ведения лесного хозяйства на основе обобщенной задачи прогноза естественной и антропогенной динамики лесных экосистем. Разработана и применена методология имитационного моделирования динамики лесных сообществ с учетом антропогенных нагрузок, основанная на системном анализ?. Изучены закономерности и построены модели динамики побочных лесных продуктов на фоне динамики растительных сообществ.Построена имитационная модель биогеоценоза горного леса Северного Кавказа,испытывающего интенсивное антропогенное воздействие.Показано,что удобным средством работы с имитационными моделями лесных экосистем являются компьютерные системы с доброжелательным интерфейсом пользователя и различными сервисными функциями, обеспечивающими максимум комфорта. Для реализации построенных моделей и обеспечения работы с ними в интерактивном режиме разработана и реализована на 1ВМ РС АТ компьютерная система 'ТОНЕСВУ". учитывающая все изложенные принципы. Создана тренажерно-обучающая система'ТОИШ" - "система управления лесным хозяйством", способствующая лучшей адаптации специалистов к условиям работы с программными системами. Показано,что такие системы обучения удачно дополняют традиционные.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.Представленные результаты получены при решении различных задач комплексного управления лесным хозяйством. Доказано, что с помощью имитационной модели динамики лесной экосистемы возможно определение оптимальных режимов управления, возможен прогноз изменения состояния лесов. Разра-

га и моделирования экосистем. - Л.: Гидрометеоиздат.1988.

Т.П.

3.Математические модели в задачах управления лесными ресур-сами/Демяненко Я. М.//XVII школа-семинар"Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования": Тез.докл.- Ростов-на-Дону - Новороссийск. 1990.

4.Математическое моделирование комплексного подхода к управлению лесным хозяйством/Демяненко Я.М.//XVII1школа-семинар "Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования"- Ростов-на-Дону - Новороссийск, 1991.

5.Оценка последствий лесопользования с помощью программной системы/Горстко А. Б.,Демяненко Я.М., Камышанский А. В.,Лебединская Е. Н.. Медалье М.В.,Угольницкий Г. А., Чораян Г.0.// XVIII школа-семинар"Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования": Тез. докл. - Ростов-на-Дону - Новороссийск. 1991.

6.Моделирование динамики лесной экосистемы под влиянием антропогенных нагрузок,основанное на разработке математических моделей эколого-экономических систем/Демяненко Я.М.// УДК 634.98.51 Депонированная рукопись N 3055-В94, 1394.

7.Устойчивое развитие горных лесных экосистем/Демяненко Я.М. Угольницкий Г. А. // II Международная конференция "Безопасность и экология горных территорий":Тез.докл.-Владикавказ. 1995.