Материал: 3353

СИСТЕМНАЯ ДИНАМИКА Перспективным направлением в моделировании окружающей среды

является использование системной динамики. При таком моделировании требуется учесть большое количество разных, но взаимоувязанных факторов, понятно решить эту задачу можно только на основе системного подхода.

Системная динамика – направление в изучении сложных систем, исследующее их поведение во времени и в зависимости от структуры элементов системы и взаимодействия между ними. В том числе причинно следственных связей, петель обратных связей, задержек реакции, влияния среды и других.

При обсуждении какой-либо проблемы важно понимать ее причину. После определения причины возникновения проблемы необходимо выстроить причинные связи. Например, увеличение рождаемости приводит к возрастанию численности населения: рождаемость (А) численность (В). Это воздействие может быть положительное или отрицательное.

Если причинно-следственная связь положительная, то направление изменения обеих переменных происходит в одну сторону, однако это оказывается не совсем верным, когда переменная А изменяется с какой-то скоростью, а переменная В обладает кумулятивными свойствами (например, при увеличении рождаемости численность населения растет, однако при уменьшении рождаемости численность населения продолжает увеличиваться). Иногда должен пройти некоторый промежуток времени, чтобы изменение А повлияло на В, это называется запаздыванием.

Однако не всегда просто выстроить такие логические цепочки. Обычно цепочки таких причинных связей замыкаются в контуры, образуя кольца обратных связей (их также называют причинно-следственными диаграммами). Кольца обратных связей могут быть отрицательные и положительные. Отрицательные, когда количество отрицательных причинных связей в одном контуре нечетное. Когда количество отрицательных причинных связей в одном контуре четное, он становится положительным контуром обратной связи. Поведение, которое генерирует такая структура – экспоненциальный рост, или экспоненциальный коллапс. Если рассматривать глобальные процессы, то и здесь наблюдается экспоненциальный рост.

ГЛОБАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ WORLD 3

На основе системной динамики создано ряд глобальные прогностические моделей, на основе которых разрабатываются стратегии устойчивого развития человечества. Модели World 1, World 2, World 3 (Дж. Форрестер и Д. Медоуз).

Модель World 3 содержит в 4 типа физических и биологических пределов. Все они могут быть расширены или сужены в результате каких-то

действий, изменений или выбора внутри смоделированного мира. Вот эти пределы:

Площадь возделываемых земель, которая может быть увеличена до 3,2 млрд. га путем инвестирования в развитие земледелия. Предполагается, что затраты на освоение новых земель растут, так как наиболее плодородные и доступные земли уже введены в оборот. Земли могут быть выведены из сельскохозяйственного оборота из-за эрозии и в результате урбанизации.

Продуктивность земель, которая может расти, например, благодаря применению удобрений. Однако каждый последующий килограмм удобрений дает меньшую прибавку урожая, чем предыдущий. Мы полагаем, что максимальный среднемировой урожай зерна не может превышать 6500 кг/га. Это эквивалентно наивысшему урожаю, получаемому сегодня в отдельных странах. World 3 предполагает также, что продуктивность земель может снижаться из-за загрязнений.

Невозобновимые ресурсы, такие, как минеральное сырье и ископаемое топливо. Мы полагаем, что этих ресурсов хватит не менее чем на 200 лет, если их добыча сохранится на уровне 1990 г. Предполагается, что затраты капитала на поиск и эксплуатацию месторождений невозобновимых ресурсов будут расти, так как наиболее богатые и доступные месторождения используются в первую очередь.

Способность земли поглощать загрязнения, которая уменьшается по мере накопления загрязняющих веществ и которая может восстанавливаться, если уровень загрязнения уменьшается. В количественном отношении это наименее изученный предел. Мы предполагаем, что в случае 10-кратного превышения уровня загрязнения, отмеченного в 1990г., продолжительность жизни людей уменьшится только на 3%, а плодородие земли – на 30 %.

Безусловно, в «реальном мире» существуют другие типы пределов, включая управленческие и социальные. Некоторые из них подразумеваются в численных значениях World 3, так как эти значения взяты из «реальной» истории мира последних 90 лет. Но модель не учитывает войны, забастовки, коррупцию, запреты в торговле, а моделируемое население делает все возможное, чтобы решать встающие перед ним проблемы, порожденные борьбой за политическую власть. Поскольку в модели недостает многих социальных пределов, она может нарисовать слишком оптимистическую картину будущего.

Модель состоит из пяти секторов: стойкие загрязнения, невозобновимые ресурсы, население, сельское хозяйство (производство продуктов питания, плодородие земель, освоение земель и их выбытие из оборота) и экономика (промышленное производство, производство услуг, рабочие места). Элементы модели объединяются таким образом, что их поведение становится сложным, при этом учитываются процессы роста, пределы, запаздывания и процессы разрушения. Каждый из секторов

включает ряд параметров, для которых определены контуры обратных связей.

При вычислительных экспериментах учитывается взаимодействие 255 переменных. Коэффициенты для расчетов задаются на основе анализа мировых статистических данных, хотя многие из них имеют значительную степень неопределенности, но отражают общую тенденцию. Значения пяти переменных представлены на графиках «Состояние мира» и четырех переменных – на графиках «Материальный уровень жизни». Числовая шкала по вертикальной оси на всех графиках отсутствует, поскольку мы считаем, что точные значения этих переменных не столь важны. Масштабы изменений девяти переменных очень различны, но остаются постоянными для всех сценариев.

Таблица – Различные масштабы переменных в сценариях модели

World 3

СЦЕНАРИИ

СЦЕНАРИЙ 1 (Стандартный сценарий из книги «Пределы роста»).

Мировое сообщество развивается без каких-либо серьезных политических изменений насколько возможно долго. Численность населения и объем промышленного производства растут до тех пор, пока состояние окружающей среды и природных ресурсов не ограничивает способности

сектора промышленного капитала обеспечивать инвестиции. Промышленный капитал начинает обесцениваться быстрее, чем происходит приток новых инвестиций. По мере уменьшения его запасов производство продуктов питания и уровень здравоохранения тоже падают, приводя к сокращению продолжительности жизни и увеличению смертности. Анализ результатов в сравнении с 1990 в 2000 году -Численность населения возрастает до 6 млрд.

-Общий объем производства увеличивается в 20 раз - Использовано 80% невозобновимых ресурсов (20%)

-Увеличивается объем промышленного производства на душу населения, продолжительность жизни, производство продуктов питания с 2020 наблюдается снижение многих показателей года.

СЦЕНАРИЙ 2 (Сценарий 1 при удвоении запасов природных ресурсов). Если удвоить величину запасов природных ресурсов, принятую в Сценарии 1, промышленный рост может продолжаться на 20 лет дольше. Численность населения в 2040 г. превышает 9 млрд. чел. Все это способствует значительному росту уровня загрязнения, что в свою очередь приводит к уменьшению плодородия земель и требует гораздо больших капиталовложений в сельское хозяйство. Следующее за этим падение производства продуктов питания приводит к повышению уровня смертности.

СЦЕНАРИЙ 3 (Сценарий 1 при удвоении запасов природных ресурсов и контроле за загрязнением окружающей среды). В этом сценарии мы предполагали, что запасы природных ресурсов удвоились, а постоянный рост эффективности контроля за загрязнением окружающей среды может привести к снижению объема загрязняющих веществ, приходящихся на единицу промышленной продукции, на 3 % в год. Тем не менее, уровень загрязнения возрастает, что приводит к кризису сельского хозяйства, в результате чего увеличивается приток капитала в сельскохозяйственный сектор. В конечном счете промышленный рост прекращается.

СЦЕНАРИЙ 4 (Сценарий 1 при удвоении запасов природных ресурсов, контроле за загрязнением окружающей среды и росте продуктивности земель). Если в моделирующем мире помимо технологий контроля за загрязнением окружающей среды используется ряд технологий, позволяющих значительно повысить продуктивность земель, то высокая интенсивность ведения сельского хозяйства ускоряем сокращение сельскохозяйственных угодий. Фермеры получают все более высокие урожаи на все меньших площадях при все больших капитальных затратах.

СЦЕНАРИЙ 5 (Сценарий 1 при удвоении запасов природных ресурсов, контроле за загрязнением окружающей среды, росте продуктивности земель и защите их от эрозии). Наряду с уже введенными в модель мерами по развитию сельскохозяйственного производства и уменьшению уровня загрязнения применяется технология сохранения земель.

В результате происходит дальнейший рост численности населения и капитала, что приводит не просто к критическому истощению ресурсов, росту уровня загрязнения или деградации земель, а одновременно к кризису по всем трем параметрам.

СЦЕНАРИЙ 6 (Сценарий 1 при удвоении запасов природных ресурсов, контроле за загрязнением окружающей среды, росте продуктивности земель, защите их от эрозии и внедрении ресурсосберегающих технологий). Теперь в моделируемом мире появились высокоэффективные технологии, снижающие уровень загрязнения окружающей среды, повышающие продуктивность земель, обеспечивающие защиту почв от эрозии и сохраняющие невозобновимые ресурсы. Предполагается, что эти технологии требует капиталовложений, а для их полного внедрения понадобиться 20 лет. Одновременное их использование позволит моделируемому миру продолжать свой экономический рост до 2050 г. Рано или поздно стоимость этих технологий становиться слишком высокой и рост прекращается.

СЦЕНАРИЙ 7 (Сценарий 6 при меньшем запаздывании внедрения всех технологий). Этот эксперимент аналогичен предыдущему, за исключением того, что для повсеместного внедрения технологий требует не 20 лет, а всего лишь 5. По сравнению со Сценарием 6 рост промышленного производства продолжается еще в течении 20 лет, а численность населения увеличивается еще на 2 млрд. чел. Однако при этом наблюдается медленное падение материального уровня жизни. Рост затрат, связанных с предотвращением выхода за пределы, в конечном счете останавливает промышленный рост.

СЦЕНАРИЙ 8 (Модель мира при принятии в 1995 г. программы стабилизации численности населения). Этот сценарий предполагает, что после 1995 г. все семьи принимают решение ограничиться двумя детьми и имеют свободный доступ к эффективным средствам контроля за рождаемостью. Вследствие инерции, обусловленной возрастной структурой населения, его численность продолжает расти и в XXI в. Замедление роста численности населения делает возможным повышение темпов роста промышленного производства до тех пор, пока его не останавливает истощение ресурсов и рост загрязнения окружающей среды.

СЦЕНАРИЙ 9 (Модель мира при принятии в 1995 г. программ стабилизации численности населения и объема промышленного производства). Общество, ограничивающее желаемый размер семьи двумя детьми и стремящееся к сокращению объема промышленного производства на душу населения, может поддерживать материальный уровень жизни, на 50% превышающий среднемировой уровень 1990 г., в течение почти 50 лет. Однако загрязнение окружающей среды продолжает расти, вызывая деградацию сельскохозяйственных земель. Душевой объем производства