Информац_технологии_Черных_2000

- 181 -

так и отрицательных воздействий на существующие насаждения (пожары, вредители и т. п.).

Каждый тип условий местопроизрастания с учетом климата характеризуется своим набором ресурсов солнечной радиации, тепла, воды, почвенных питательных элементов. Ресурсы солнечной радиации, тепла, воды подвержены от года к году определенным колебаниям, причем колебания ресурсов солнечной радиации и воды зачастую находятся в противофазе.

Для того чтобы определить состав насаждения, наилучшим образом использующий биопотенциал условий местопроизрастания, можно воспользоваться методами линейного математического программирования.

Если исходить из конечного результата, надо взять показатели насаждения в возрасте количественной спелости и для него определить оптимальный состав, дающий наивысшую продуктивность или выполняющий наилучшим образом какую-либо специфическую функцию (водорегулирующую, полезащитную, рекреационную и т.п.). Поскольку следует учесть случайные колебания некоторых ресурсов, то наиболее адекватно этот процесс следует моделировать, используя стохастическое программирование. Тогда можно записать математическую модель в следующем виде.

Найти максимум математического ожидания целевой функции

При условиях:

1) использования имеющихся природных ресурсов

2) выполнения предъявляемых к насаждениям требований

3) неотрицательности переменных

x j 0, j 1,..., n,

где c j - прирост или другая специфическая функция j-й породы в

возрасте количественной спелости;

apj - норма потребности j-й породы в р-м ресурсе; bp - количество имеющихся р-х ресурсов;

akj - нормы требуемых от насаждения дополнительных специфических функций;

bk - оценки требований к этим функциям; x j - доля участия j-й

- 182 -

породы в данных условиях местопроизрастания.

После того как сделан выбор главных пород, необходимо провести выбор и сочетание мероприятий, которые направлены на обеспечение лесовозобновления и выращивания древостоев в соответствии с этим выбором: содействие естественному возобновлению, сохранение подроста, лесных культур, рубки ухода в молодняках, химический уход и реконструкция молодняков.

Максимальный объем мероприятий устанавливается во время проведения инвентаризации леса на основе лесохозяйственных требований и условий. Так, максимальный объем рубок ухода устанавливается согласно "Наставлению по рубкам ухода", мелиоративный фонд -согласно "Техническим указаниям по осушению лесных площадей" и т. д. Обычно мероприятия проводятся в меньших объемах, чем это установлено лесоводственными требованиями. Реальный объем зависит от наличия материально-технических, трудовых и финансовых ресурсов, а также определяется имеющейся дорожной сетью. Объемы мероприятий связаны с размером лесопользования, поскольку оно определяет площади вырубок и последующие мероприятия по лесовосстановлению.

Структура лесного фонда лесохозяйственного предприятия характеризуется распределением площадей по категориям земель, породной и возрастной структурой и средними запасами древостоев по классам возраста на 1 га.

Первичной единицей, по которой приводятся таксационные данные, является выдел. При расчетах объемов мероприятий выделы объединяются в группы - хозсекции. Используемые теперь хозсекции меняются почти при каждом лесоустройстве, хотя расчеты ведутся на длительную перспективу.

Ход естественного возобновления различается по группам типов леса, то же относится к выбору способов рубок. С группой типов леса тесно связан класс пожарной опасности, аналогично осушение и строительство дорог. Группы типов леса: сухие, нормального увлажнения, избыточного увлажнения.

Рубки ухода проводятся обычно в зеленомошной группе типов леса и не ведутся в группе типов сухих и заболоченных.

Назначение и цели хозяйства существенно различаются по категориям лесов, то же относится и к лесопользованию:

•в курортных и заповедных лесах, парках, лесопарковых хозчастях зеленых зон, особо ценных массивах, в госполосах, в кедровниках - орехопромыеловых зонах - главное пользование не допускается;

•в защитных полосах вдоль железных и шоссейных дорог и в полосах вдоль нерестовых рек разрешены только выборочные лесовосстановительные рубки, их обоснование диктуется в основном лесохозяйственными рекомендациями, а не экономическими расчетами, в остальных категориях лесов допускаются рубки главного пользования.

Без достаточно разветвленной сети дорог в лесу невозможно проведение различных лесохозяйственных мероприятий. Поэтому расчет

- 183 -

протяженности новой сети дорог необходимо вести исходя из объемов лесохозяйственных мероприятий. Нормативная длина дорог получится, если на всей площади предприятия построить дороги, исходя из нормы 1,2 км/100га общей площади. Протяженность дорог, необходимых для проведения всех мероприятий одновременно, равна сумме значений протяженности дорог, вычисленных отдельно для каждого мероприятия, за вычетом суммы отрезков дорог, являющихся общими и умноженными на п-1. Оптимальное размещение дорог на местности следует делать, используя схему транспортной задачи, сочетая с возможностями, предоставляемыми ГИС.

При определении объемов мероприятий по лесовосстановлению необходимо знать обязательный объем рубок ухода в смешанных молодняках, где в процессе последующего роста произойдет с неизбежностью нежелательная смена хвойно-лиственных на лиственные древостой.

Таблица 6.4

Вероятность смены пород в зависимости от коэффициента состава и класса возраста

Из табл. 6.4 видно, что с наибольшей интенсивностью смена пород происходит в хвойно-лиственных молодняках с наличием хвойных пород 3 единицы состава. Таким образом, получив варианты состояния лесного фонда для каждого предприятия лесного хозяйства с характерными для них величинами прироста древесины, а также необходимыми в каждом варианте затратами материальных, трудовых и финансовых средств, можно в масштабе области определить оптимальные объемы проведения лесокультурных и лесохозяйственных работ при ограничении на ресурсы этих средств.

Для решения этих вопросов ввиду длительности процессов изменения

- 185 -

a1, ai - заданные вероятности соблюдения ограничений по удовлетворению потребностей и наличию ресурсов;

cks - чистый доход от проведения 5-го варианта в к-м участке.

При выборе между конкурирующими вариантами важно, чтобы полученные доходы были сопоставимы, а поскольку их получение относится к разным моментам времени в будущем, то их нужно привести к одному моменту; это же относится и к затратам на проведение этих вариантов. Для их проведения воспользуемся дисконтированием затрат с помощью неизменной нормы эффективности вложений. Тогда чистый доход будет определяться следующей формулой

Где Dkss - доход, полученный от реализации s-ro варианта в k-м участке в t-м году;

Zkst - затраты на проведение s-ro варианта в k-м регионе в t-м году;

E - норма эффективности вложений; и - год, к которому приводится значение показателя; t - рассматриваемый год;

Tks - время, в течение которого будет получен эффект от проведения s-

ro варианта в k-м участке.

Таким образом, оперируя лимитированными ресурсами, можно задавать темпы развития и в соответствии с моделью получать показатели основных пропорций развития.

Для функционирования описанных моделей в рамках экспертной системы необходимы экономическая характеристика лесохозяйствен-ного предприятия, таблицы перехода хозсекций из одной в другую под воздействием мероприятий, способы рубок, средний процент выборки запаса по видам рубок в разрезе хозсекций и процент восстановления площади хозяйственно ценными породами, дополнительный годичный прирост древостоев по ступеням возраста, удельные капитальные вложения, товарные таблицы, таксы на древесину основных лесных пород.

6.2.10. Верификация работы модели

Развитие двухвидового елово-березового насаждения

В качестве исходных данных использовались ТХР чистых березовых и еловых насаждений. Верификацией работы модели послужило сравнение полученных в результате моделирования ТХР роста насаждений с ТХР смешанных елово-березовых насаждений (Козловский, Павлов, 1967).

Развитие смешанных насаждений имеет свою специфику. В приведенном случае соотношения пород быстрорастущая береза на начальном этапе развития вытесняет ель во второй ярус. Ель развивается в условиях светового угнетения и поэтому темпы роста в высоту у нее

- 186 -

замедленные. К возрасту старения березы (60-80 лет) естественный отпад деревьев этой породы усиливается, и ель получает существенно больше светового довольствия. В результате темпы ее роста увеличиваются. Ель изменяет свой бонитет от 3 в 30 лет до 1 к 100 годам (с тенденцией дальнейшего роста бонитета).

На рис. 6.14 показаны зависимости средней высоты и возраста ели в смешанном насаждении, взятые из ТХР и полученные в процессе моделирования. Ошибка оценки средней высоты составляет менее 5 %, что показывает высокую точность работы модели.

Рис. 6.14. Соотношение результатов работы модели и данных ТХР для смешанных насаждений

Эксперимент по лесохозяйственным воздействиям

Связан с имитацией в ходе моделирования различных видов лесохозяйственных воздействий. Модельным объектом для проведения вычислительного эксперимента было выбрано 60-летнее березовое насаждение с формулой древостоя 9Б 1Д и дубово-липовым подростом (7Лп ЗД). Типусловий местопроизрастания СЗ, биологические бонитеты: дуба -1, березы - 1а, липы -1.

Моделирование двух вариантов внешних воздействий:

1) отсутствие внешних воздействий - равномерное естественное изреживание древесных пород;

2) проведение рубок ухода (с преимущественным удалением березы и липы в 1 ярусе и в подросте). При отсутствии внешних воздействий соотношение древесных видов в первом ярусе насаждения через 4 шага моделирования (40 лет) не изменилось, в подросте немного увеличилась доля липы. При моделировании проведения рубок ухода (второй вариант воздействий) состав первого яруса изменился слабо (немного увеличилась доля дуба), в то время как в подросте произошли коренные изменения

- 187 -

состава древесных пород.

С каждым шагом моделирования происходило постепенное уменьшение участия липы и увеличение доли дуба в составе подроста. На четвертом шаге сформировался подрост с абсолютным господством дуба. Таким образом, вычислительный эксперимент показывает перспективность проведения рубок ухода за подростом, которые позволяют до проведения рубки главного пользования сформировать молодое поколение необходимого породного состава и исключить в будущем затраты на проведение лесокультурных мероприятий. В то же время вычислительный эксперимент показал, что уход за 1 ярусом в насаждениях подобного возраста и состава мало перспективен.

Как видно из результатов, полученных в процессе второго варианта, дуб развивается недостаточно быстро. Так при заданном первом биологическом бонитете для дуба его развитие происходит замедленно из-за светового угнетения (полученный бонитет в 60 лет -3.99). Это позволяет сделать вывод о недостаточности интенсивности удаления особей березы из первого яруса.

Результаты вычислительных экспериментов модели показали, что модель достаточно адекватно описывает реальные процессы в древостоях. С помощью моделирования можно составить прогноз основных характеристик древостоя каждого таксационного выдела (по каждому виду и классу возраста), а также получить прогнозный план насаждений. Участие комплекса программ "Лесной массив" в разрабатываемой информационной системе по лесным ресурсам позволяет получить прогноз динамики основных лесообразующих пород в лесных экосистемах большой площади, проанализировать сукцессионные процессы в лесах разной степени нарушенности, изучить изменение структуры лесных ценозов под воздействием антропогенных факторов различной интенсивности, в том числе провести сравнительный анализ альтернативных вариантов лесохозяйственных мероприятий, построить таблицы хода роста многовидовых насаждений, используя законы развития чистых насаждений

Возобновление древесных видов

Выше были проанализированы изменения запасов древесины различных древесных пород на разных шагах моделирования при разных сценариях лесохозяйственных мероприятий. В настоящем разделе основное внимание уделяется анализу возобновления древесных пород на разных шагах моделирования.

Для анализа возобновления были выбраны два варианта насаждений, различающихся уровнем освещенности под пологом: березняки (относительно светлый лес) и липняки (относительно темный лес). При этом выбирались насаждения с долей участия березы или липы в формуле древостоя больше 6 единиц и полнотой большей 0,7. Для анализа выбран вариант моделирования без лесохозяйственных воздействий. Оценка возобновления проводилась на 0,1, 5 и 10 шагах моделирования.

В исходном состоянии (0 шаг) подрост полностью отсутствует под

- 188 -

пологом липовых насаждений, а в березняках в подросте присутствуют 5 видов. Усредненный состав подроста всех возрастов -5.3Лп4.5Ос 1.3Д Ш0.8Б, подроста старше 20 лет-5ЛпЗ.ЗЕ 1.7Б. На 1 и последующих шагах моделирования подрост появляется как под пологом липовых, так и под пологом березовых насаждений, что не соответствует реальным ситуациям приживания сеянцев под пологом березняков и липняков. В настоящей модели реализуется равномерный семенной "дождь", при котором одинаково успешно распространяются и прорастают семена всех моделируемых видов. При этом наблюдается высокое видовое разнообразие подроста. Подавляющая часть подроста не выживает более 10 лет и отмирает на следующих шагах моделирования. В связи с этим, более четкую картину можно получить лишь при анализе подроста старше 20 лет

Под пологом березняков на 1 шаге резко доминирует липовый подрост, а на 5 и 10 шагах резко увеличивается доля березового подроста, остальные виды (Яс, Е, Лц) сохраняют лишь незначительное участие.

Как известно, отношение древесных пород к свету видоспецифично и изменяется в ходе онтогенеза дерева. В модели предусмотрена возможность изменять характеристики световых кривых фотосинтеза (точки насыщения, точки компенсации) для каждой из 11 моделируемых пород в разных онтогенетических состояниях.

Полученные в ходе вычислительных экспериментов данные о резком доминировании березового подроста в моделируемых насаждениях свидетельствуют об использовании в модели недостаточно выверенных характеристик отношения к свету березы и других мелколиственных пород. Для проверки модели были изменены характеристики световых кривых фотосинтеза мелколиственных пород и заново просчитано 10 шагов.

В результате изменения параметров настройки модели (отношение древесных пород к свету) изменился и характер полученных данных по возобновлению древесных пород. Данные численных экспериментов с уточненными параметрами настройки модели показали, что под темным пологом липовых насаждений подрост либо отсутствует (1,10 шаги), либо представлен лишь наиболее теневыносливыми породами (липа, ясень) на 5 шаге. В светлых березовых насаждениях состав подроста более разнообразен, возобновляются липа, ель, ясень, береза, дуб. Полученные данные соответсвуют экспертным прогнозам возобновления в березовых и липовых древостоях. Этот пример показывает возможность настройки параметров модели по конкретным данным и необходимость дальнейшего уточнения видоспецифичных характеристик древесных пород, особенно по отношению к освещенности.

Включение в моделирование кустарникового яруса

Вторым аспектом уточнения работы имитационной модели "Лесной массив" по возобновлению древесных пород было включение в моделирование кустарникового яруса, оказывающего существенное влияние

- 189 -

на возобновление древесных пород. Для его моделирования был собран полевой материал по основному эдификатору кустарникового яруса - лещине обыкновенной. По материалам полевых исследований составлены предварительные таблицы хода роста, включающие несколько биометрических параметров лещины (высота, диаметр кроны, высота прикрепления кроны) в разных условиях роста (под пологом светлого мелколиственного леса, под пологом липового леса, на вырубках). На основании полученных данных была построена локальная модель динамики изменения средних высот лещины, а также высот и диаметров ее кроны.

6.2.11. Моделирование динамики древостоев с имитацией различных видов лесохозяйственных воздействий

Моделировалось три варианта внешних воздействий:

1)без проведения каких-либо рубок (моделируется лишь естественное самоизреживание и естественный распад древостоев);

2)только с рубками главного пользования (имитируются сплошные рубки при достижении древостоем возраста спелости);

3)с рубками ухода и рубками главного пользования (имитируются основные виды рубок ухода и сплошные рубки при достижении древостоем возраста спелости).

Получены повыдельные базы данных модельного лесного массива "Горки" на 10 шагов моделирования (1 шаг =10 годам) по трем вариантам внешних воздействий. Полученные данные требуют специального анализа, который был проведен с помощью специальной программы "Itog", реализованной в СУБД "FoxPro", рассчитаны и проанализированы суммарные запасы древостоев по породам, суммарные запасы древостоев в лесном массиве, объем удаляемой древесины на каждом шаге моделирования.

Для первого варианта (рис. 6.15) на 4 шаге моделирования (через 40 лет) произошло резкое уменьшение общего запаса древостоев в результате массового распада одновозрастных березовых древостоев, достигших к этому времени предельного возраста. Однако после 7 шага моделирования запас березовых древостоев восстанавливается и в последующем (на 9-10 шагах) превышает исходный, что связано с активным семенным возобновлением березы и естественным развитием березовых насаждений. Запас порослевого дуба к 10 шагу моделирования плавно уменьшается и полностью исчезает в результате естественного распада древостоев и отсутствия естественного порослевого возобновления. Запас семенного дуба держится на очень низком уровне, что связано с сильным угнетением подроста этой породы быстрорастущей березой. Практически полностью после 7 шага моделирования исчезает сосна, изначально представленная только в культурах. Это связано с отмиранием существующих древостоев сосны и с отсутствием естественного возобновления в условиях жесткой конкуренции с подростом березы и широколиственных пород. На 9 шаге моделирования произошел массовый распад порослевых липовых древостоев, в то же время наблюдается небольшое плавное увеличение запаса семенной липы и ели -

- 190 -

древесных пород, способных нормально

Вариант без рубок

Вариант без рубок

шаг моделирования

Рис. 6.15. Изменение запасов древоспюев по шагам моделирования без влияния рубок