系統(tǒng)動力學(xué)優(yōu)化方法案例研究

1、系統(tǒng)動力學(xué)優(yōu)化方法案例研究1研究背景農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是由自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)組成的復(fù)雜系統(tǒng)，它的發(fā)展受人類、社會、經(jīng)濟、政策、科技和自然等因素綜合作用，呈現(xiàn)高度非線性、多回路、復(fù)雜的動態(tài)特性。農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化管理就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進行合理的人為干預(yù)，通過政策實施和技術(shù)支撐，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能進行合理調(diào)控，使農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)處于安全與健康狀態(tài)，為人類提供持續(xù)的生態(tài)服務(wù)、滿足人類生存和發(fā)展需求。禹城農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)為縣級尺度的生態(tài)系統(tǒng)。全市擁有耕地52927 hm2，全市總?cè)丝?99755人，其中農(nóng)業(yè)人口415913人。土地平坦，水資源豐富，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，經(jīng)濟以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)長期以種植業(yè)為主，20世紀(jì)90年

2、代，糧食單產(chǎn)穩(wěn)定在12000kg/hm2以上，畜牧業(yè)有了較快發(fā)展，逐步呈現(xiàn)農(nóng)牧結(jié)合的良好態(tài)勢，到2000年種植業(yè)產(chǎn)值和畜牧業(yè)產(chǎn)值在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總產(chǎn)值中分別占到65.0%和29.8%。種植業(yè)以小麥、玉米為主，部分為棉花、蔬菜、瓜果等經(jīng)濟作物，養(yǎng)殖業(yè)以牛、豬、雞為主。目前，隨著我國農(nóng)業(yè)發(fā)展進入新階段，面臨新一輪農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，根據(jù)區(qū)域資源特點及我國優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品區(qū)劃，禹城市既是糧食生產(chǎn)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，同時也是畜牧業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，種植業(yè)子系統(tǒng)和養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)是禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)兩個最主要的子系統(tǒng)，種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的結(jié)合也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本的形式。養(yǎng)殖業(yè)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的重要作用，一方面主要表現(xiàn)為提供營養(yǎng)豐富的動物性食品

3、和增加經(jīng)濟收入，另一方面則表現(xiàn)為充分利用種植業(yè)副產(chǎn)物，并為種植業(yè)提供大量有機肥從而可適當(dāng)減少化肥用量。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的有機結(jié)合，有利于減少工業(yè)輔助能的投入，能夠提高抵抗自然災(zāi)害和社會經(jīng)濟風(fēng)險的能力，可以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。運用系統(tǒng)動力學(xué)方法優(yōu)化并調(diào)控種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)內(nèi)部組分結(jié)構(gòu)比例，協(xié)調(diào)種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)兩個子系統(tǒng)之間的相互關(guān)系，探討實現(xiàn)系統(tǒng)的整體高效和良性循環(huán)的途徑。2模型的建立與檢驗（1）建模思路應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模型對禹城市農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展趨勢進行動態(tài)模擬，并對其結(jié)構(gòu)和功能進行優(yōu)化。目的為當(dāng)?shù)貙崿F(xiàn)社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展服務(wù)。禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)各子系統(tǒng)之間通過物質(zhì)轉(zhuǎn)換與能量流動組成一個有機整體

4、，但它們并不是一個完全封閉的自然生態(tài)系統(tǒng)，而是人類參預(yù)調(diào)控的開放型的社會經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)。系統(tǒng)地研究各子系統(tǒng)之間的能流、物流將有助于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃方案的建立與選擇，以獲取最佳的農(nóng)牧結(jié)合高效發(fā)展模式。種植業(yè)子系統(tǒng)主要研究分析在耕地面積既定的情況下，根據(jù)各類作物對社會生產(chǎn)的滿足程度和資源利用效率，調(diào)整控制各類作物占用耕地的面積，種植業(yè)產(chǎn)出水平除受播種面積制約外，還受單產(chǎn)的影響。畜牧業(yè)子系統(tǒng)主要研究分析不同社會市場需求與資源供給對畜牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的影響，探求合理的畜牧生產(chǎn)結(jié)構(gòu)。模型中以耕地面積和家畜群體總規(guī)模為積累變量，通過調(diào)整各種作物占有耕地面積的比例和各種家畜所占總家畜的比例，求解種植業(yè)與畜牧業(yè)的協(xié)調(diào)

5、關(guān)系。畜牧業(yè)發(fā)展所需的飼料是由種植業(yè)提供的，但系統(tǒng)內(nèi)畜牧業(yè)的發(fā)展并非完全受系統(tǒng)內(nèi)飼料資源約束，其所需飼料卻作為調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)子系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)都受資金投入的控制，而資金投入水平和比重又與各業(yè)產(chǎn)出水平與社會市場需求相關(guān)。通過深入分析禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律與機制，結(jié)合本地的資源優(yōu)勢和產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策等，形成農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)的主要反饋回路圖。根據(jù)系統(tǒng)反饋回路，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型流程圖與構(gòu)造方程，主要包括人口、種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、投入和產(chǎn)出子模塊。人口子模塊用于模擬系統(tǒng)內(nèi)人口的變化情況；種植業(yè)子模塊包括耕地和作物種植結(jié)構(gòu)的變化；養(yǎng)殖業(yè)子模塊用來模擬家畜養(yǎng)殖規(guī)模與養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)；投入子模塊主要是指

6、作物種植和家畜養(yǎng)殖物質(zhì)投入和飼料需求；產(chǎn)出子模塊包括種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的實物產(chǎn)出、能量產(chǎn)出和產(chǎn)值。（2）參數(shù)確定與模型檢驗農(nóng)牧結(jié)合農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)模型的參數(shù)較多，類型復(fù)雜，可以分為兩類：第1類為固定參數(shù)，這類參數(shù)不隨時間變化，如牲畜飼料標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)資料與農(nóng)畜產(chǎn)品折能系數(shù)，生產(chǎn)資料與農(nóng)畜產(chǎn)品價格等，這些參數(shù)主要根據(jù)實測資料、統(tǒng)計資料或查閱相關(guān)文獻估算而得；第2類為時變參數(shù)，它隨時間的推移而發(fā)生變化，如種植業(yè)中的物資投入、耕地生產(chǎn)力、畜禽生產(chǎn)力等。在時變參數(shù)中，按其變化規(guī)律又可分為線性時變參數(shù)和非線性時變參數(shù)兩種，線性時變參數(shù)是時間變量的函數(shù)，首先確定其基期和目標(biāo)期的參數(shù)值，然后按照變化規(guī)律確定比例關(guān)系。非

7、線性時變參數(shù)的變化非常復(fù)雜，一部分采用回歸分析的方法得到參數(shù)方程，而對于不能得到方程的，則采用表函數(shù)的形式表示參數(shù)隨時間的不規(guī)則變化。模型有效性主要采用歷史檢驗法，即利用實際歷史數(shù)據(jù)與模型仿真運行結(jié)果的相對誤差來檢驗?zāi)Ｐ偷挠行?。將禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)代入模型，仿真結(jié)果中選擇人口、耕地、糧食產(chǎn)量、家畜年存欄總數(shù)等變量。將其中19802000年模擬數(shù)據(jù)輸出與實際輸出相比較，其仿真輸出結(jié)果與系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)基本相符。因此，模型是能夠反映真實系統(tǒng)的，通過不同情景模擬分析，可以評價各種政策和預(yù)測系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢、形成決策方案。（3）模型運行及典型優(yōu)化模型的仿真實質(zhì)上是一種政策模擬和戰(zhàn)略實驗，即通

8、過模擬不同的調(diào)控措施預(yù)測系統(tǒng)未來的結(jié)果。我們知道，種植業(yè)自始至終是禹城市農(nóng)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，養(yǎng)殖業(yè)經(jīng)過近幾年發(fā)展已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮闹е?，而且，目前的生產(chǎn)條件及物質(zhì)投入已經(jīng)達到較高水平，在現(xiàn)有條件下通過調(diào)整種植結(jié)構(gòu)與養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)、協(xié)調(diào)種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展以提高農(nóng)業(yè)資源利用率，是當(dāng)前和今后一段時間內(nèi)的重要舉措。為此，對模型實施3種方案進行系統(tǒng)仿真優(yōu)化模擬運行，以預(yù)測禹城市農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢。第1種方案是完全按照現(xiàn)有種植與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)，第2種方案是維持現(xiàn)有養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)、調(diào)整種植業(yè)結(jié)構(gòu)，第3種方案是同時調(diào)整種植業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過模型反復(fù)運行試驗，從中選出3種典型情景供決策者考慮（表1）：第1種情景，種植

9、業(yè)結(jié)構(gòu)為糧食作物和經(jīng)濟作物二元結(jié)構(gòu)，占耕地面積的比例分別為70%和30%，在經(jīng)濟作物中蔬菜的種植比重為76%；養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)為精料家畜占33%，草食家畜占67%，在精料家畜中豬和家禽的比重分別為63%和37%，在草食家畜中肉牛和奶牛的比重分別為66%和34%。第種情景，種植業(yè)結(jié)構(gòu)為糧食作物、經(jīng)濟作物和飼料作物三元結(jié)構(gòu)，其占耕地面積的比例分別是45%、25%和30%，而在經(jīng)濟作物中蔬菜的種植比重提高85%；養(yǎng)殖業(yè)的結(jié)構(gòu)同第1種情景。第種情景，糧食作物、經(jīng)濟作物和飼料作物的種植業(yè)三元結(jié)構(gòu)為5l%、30%和19%，養(yǎng)殖業(yè)結(jié)構(gòu)為精料家畜占40%，草食家畜占60%，在精料家畜中豬和家禽各占50%，在草食家畜

10、中肉牛和奶牛的比重調(diào)整為80%和20%。在運行模型篩選方案時，各種農(nóng)產(chǎn)品的價值參數(shù)采用了2003年當(dāng)?shù)厥袌鰞r格，作物種植的物質(zhì)投入?yún)?shù)來源于農(nóng)戶調(diào)查結(jié)合參考文獻，家畜消耗的飼料定額參數(shù)結(jié)合了專家咨詢和農(nóng)戶調(diào)查。從表1可以明顯看出，第1種情景除了糧食總產(chǎn)出和人均糧食占有量高于第和第情景，其它各項均不及后2種，特別是精、粗飼料供需均有較大缺口。第種情景與第種情景相比，前者比后者具有較高的產(chǎn)值、工業(yè)輔助能能效和光能利用率，但具有較低的糧食產(chǎn)出量和人均糧食占有量；粗飼料資源供需狀況表現(xiàn)為第和第情景都沒有缺口，均能滿足養(yǎng)殖業(yè)的需求，而精飼料資源供需卻表現(xiàn)為第種情景比第種情景缺口更大，說明，在第種情景條件

11、下，養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)就會在更大程度上受控于系統(tǒng)外精飼料資源的供給量。表1 模型模擬3種情景生產(chǎn)表現(xiàn)年份198019851990199520002005201020152020農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值(萬元)I376815963886951144099248432291566320596349653368777II352802381079409464428298III330178354627379216395474種植業(yè)比重(%)I86.187.078.766.046.140.437.635.634.5II50.747.545.043.6III49.646.944.943.7養(yǎng)殖業(yè)比重(%)I13.913.021.

12、334.053.959.762.464.465.6II49.352.555.056.4III50.453.255.156.3糧食總產(chǎn)值(kg)I133602538634990423734250545254466544767347876II28886297793043030559III32801338163455534701人均占有糧食(kg)I326589773890850861844821784II549539524501III624612595568精飼料供需差(萬kg)I8044177-1018-8077-21885-29401-35009-40293-43957II-36968-427

13、86-48210-51898III-32665-37647-42231-45366粗飼料供需差(萬kg)I17221214966075-3205-20913-29418-33356-36345-38545II12449800846522336III737744242387906農(nóng)田光能利用率(%)I0.180.340.470.580.600.630.650.670.67II1.031.041.051.05III0.860.870.880.89耕地面積 hm2544875380153544530915293352745526885263452581養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模萬LU5.918.9923.2134.

14、4641.9348.6852.1154.7856.453結(jié)論與討論我國廣大平原農(nóng)區(qū)，往往既是糧食主產(chǎn)區(qū)，也是畜牧業(yè)優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，如何協(xié)調(diào)好種植業(yè)和畜牧業(yè)的關(guān)系，就成為這些地區(qū)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本研究根據(jù)禹城市區(qū)域資源特點和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點，建立了該地區(qū)農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的動力學(xué)模型，通過對種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)比例實施調(diào)控，經(jīng)過模型仿真運行，針對禹城市選出3種典型優(yōu)化結(jié)構(gòu)供決策者參考。雖然這3種優(yōu)化方案的可行性有待經(jīng)過實踐驗證，該模型還需要進一步完善，例如，隨著系統(tǒng)中養(yǎng)殖規(guī)模的擴大，有機肥的產(chǎn)出會不斷增加，必然會促使系統(tǒng)中化肥用量不斷減少，即減少對外部投人的依賴性，但是這一行為在該模型中沒有考慮，是因為有機肥和化肥的替代關(guān)系和平衡點沒有明確，需要經(jīng)過試驗研究確定參數(shù)。但是，該模型充分展示了不同種養(yǎng)結(jié)構(gòu)條件下系統(tǒng)的功能表現(xiàn)及其效果，為今后模擬農(nóng)牧結(jié)合生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)