Введение к работе
Актуальность темы. Леса России - уникальная экологическая система, занимающая 1,2 млрд. гектаров территории и содержащая около 25% лесных ресурсов планеты. По сути, российский лес является единственным реальным источником покрытия прогнозируемого значительного роста потребностей мирового рынка в деловой древесине. Более того, российский лес -это не только экономический, но и важнейший глобальный эколого-политический ресурс: как известно, леса России обеспечивают ежегодное депонирование углерода в объеме 29 млрд. тонн. В России сохранилось 26% неосвоенных лесов мира.
Лесное хозяйство - основополагающее звено национального лесного комплекса. Соответственно, лесная служба отвечает за все процессы и мероприятия, связанные с воспроизводством, охраной и использованием лесов. Все это - крайне необходимые, традиционные для лесного дела и сугубо государственные функции.
Известно, что в управлении лесным хозяйством существует немало проблем. Следует отметить, что их изучение и нахождение решений зачастую находится в сфере политических, правовых и экономических наук. Вместе с тем существует и группа чисто технических проблем управления лесным хозяйством, к которой относятся и вопросы обеспечения лиц, принимающих решения, адекватной информацией. Эта информация должна быть:
а) своевременной,
б) достоверной,
в) адекватно детальной.
Выполнение последнего требования оказывается не столь уж простым вопросом.
Общеизвестный принцип необходимости предоставлять лицам, принимающим решение, только ту информацию, которая для этого необходима, как правило, не выполняется. Составители ГИС (геоинформационных систем) и других информационных систем поддержки принятия решения в области природопользования зачастую стремятся дать как можно больше информации. Но зачастую это не облегчает принятие решений, а, наоборот, затрудняет этот процесс.
Таким образом, нахождение оптимальной структуры информационных и прогнозных средств для поддержки принятия решений в области управления лесным хозяйством остается до сих пор нерешенной задачей.
В диссертации предлагается как раз такая система математических моделей различной степени детальности, которые позволили бы обеспечивать прогнозной информацией органы управления лесным хозяйством различного уровня. При этом данные модели стыкуются между собой и опираются на достаточно унифицированные средства информационной поддержки.
Очень важно, что используемая для обеспечения работы моделей информация, а также получаемые результаты моделирования полностью соответствуют тем данным, которые традиционно фигурируют в лесном хозяйстве.
Цели работы. Целями диссертационной работы являются:
развитие теории и методики математического моделирования лесных геоэкосистем; создание иерархической системы моделей динамики лесных геоэкосистем для целей управления лесным хозяйством;
- исследование ряда проблем лесопользования, имеющих как теоретическое, так и
практическое значение с помощью созданной иерархической системы моделей.
Научная новизна. В результате проделанной работы впервые:
создана методика построения единой иерархической системы моделей динамики леса, в рамках которой состыкованы разнообразные модели как локального, так и регионального уровня, а также базы данных, которые составляют информационное обеспечение работы моделей;
- построена полная имитационная локальная модель биогеоценоза, включающая все из
вестные воздействия и факторы внешней среды, такие как загрязнения химического,
механического и радиационного характера в разных средах - почве, воздухе и воде, а
tairace вырубки, рекреационную нагрузку и т.д. Модель учитывает и все сложные эффекты, связанные с разновозрастным составом лесов и специфики их размножения с помощью семян;
применены новые принципы построения модели, в частности, оценка адекватности Модели с помощью исследования ее устойчивости;
- для преодоления ряда вычислительных трудностей, связанных с вышеупомянутыми
Исследованиями, в диссертации разработана специальная концепция оценки числен
ными методами устойчивости по входным данным, и структурной устойчивости по
параметрам;
разработан Важный принцип дискретной записи уравнений по возрастной и пространственной переменным непосредственно, без ссылки на непрерывную модель, опирающийся на оригинальную концепцию представления разных групп по возрасту И пространственным уздам в виде самостоятельных участников биоценоза;
при построении моделей это позволяет строить соответствующие зависимости, исходя Непосредственно из биологических соображений, не прибегая к биофизическим схемам построения локальных моделей;
создана пространственная модель развития локального лесного участка, с помощью которой исследованы ранее не моделировавшиеся эффекты пространственной дина-Мики лесов, в частности специфика развития ядра лесного массива.
Проведено сравнение результатов работы: а) локальной модели с сосредоточенными параметрами, б) локальной пространственной Модели, в) локальной модели с сосредоточенными параметрами, созданной с использованием обобщенных показателей, г) региональной модели;
- на столь обширном материале применен принцип академика Н.Н Моисеева о т.н.
«минимальных моделях», в рамках применения и развития этого принципа на кон
кретном примере определен круг практических задач, для которых та или иная модель
созданной иерархической системы является «минимальной»;
с помощью созданных Моделей исследованы важнейшие Проблемы лесопользования, Имеющие теоретической и практическое значение, в частности проблема влияние леса На сток и процессы заболачивания территории, проблема принятия решения о харак-tepe использования лесов, загрязненных радионуклидами, проблема оценки перспектив и трудностей ведения лесного хозяйства в разных регионах РоссиЦ, возникающих в связи с глобальным потеплением, проблема корректировки земельного фонда Московского региона в связи с нашествием ксипобцонтов. Практическая значимость работы. Внедрения. Создана иерархическая система моделирования динамики лесов, которая была использована:
в процессе Исследований по подпрограмме «Глобальные изменения природной среды И климата» ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского назначения»;
- в практике управления десным хозяйством Московского региона;
- в исследованиях Института Прикладной Математике им. М.В.Келдыша РАН.
Апробация работы. Основные положения диссертации неоднократно докладывались на
семинарах в Ин-те прикладной математики РАН, Ин-те системных исследований РАН, Центре экологии и продуктивности лесов, кафедры физической географии Географического ф-та МГУ, кафедре агроэкоинформатики ф-т4 Почвоведения МГУ, кафедры Биологического ф-та МГУ, на заседаниях участников исследований по подпрограмме «Глобальные изменения природной среды и климата» ФЦНТП «Исследобания и разработки по приоритетным направлениям науки и техники гражданского Назначения» в Минпромнауки РФ в период 1999-2002 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликована 24 работы (из них 3 Монографии и 2 препринта) общим объемом свыше 90 печатных листов. Среди опубликованных работ 20 написано в coaetopcTBe. Личный вклад диссертанта в них составляет 27 печатных листов.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы (256 названий). Объем диссертации составляет страниц текста, не считая списка литературы.
Классификационная характеристика. В диссертации разработаны принципы и методы моделирования динамики лесов. Совокупность полученных результатов является теоретическим обобщением и развитием исследований в данном направлении. С практической точки зрения, полученные результаты являются решением, имеющей важное прикладное значение, проблемы создания адекватного инструмента информационного обеспечения управления лесным хозяйством на различных уровнях от лесхоза до региональных органов управления.
