环境模拟——环境系统的系统动力学模型导论

序言

致谢

第一部分 导论

第1章 概述 3

第2章 库和流 13

第3章 数值模拟 23

第4章 莫诺盆地的水流模型 30

第5章 平衡图 49

第6章 S形增长 56

第7章 因果回路图 66

第8章 因果回路与体内平衡 84

第9章 牛眼图 92

第二部分 物质流模拟

第10章 物质流简介 99

第11章 步长的取值 110

第12章 模拟DDT流 115

第13章 幼鲑的春季洄游 130

第14章 图坎嫩河鲑鱼模型 143

第三部分 建模过程

第15章 建模步骤 165

第16章 凯巴布高原鹿群模型 176

第四部分 模拟周期系统

第17章 振荡导论 207

第18章 凯巴布高原上的捕食者-猎物振荡 221

第19章 铝生产的波动性 233

第五部分 管理飞行模拟器

第20章 空气污染、清洁车辆和费用减免 249

第21章 雏菊世界的气候控制 265

第六部分 结论

第22章 验证 281

第23章 来自电力工业的教训 287

回顾

附录A 计量单位 303

附录B 数学回顾 308

软件

附录C Stella 315

附录D Dynamo 325

附录E Vensim 330

附录F Powersim 337

附录G 电子表格 342

附录H 特殊函数 346

专题

附录I 空间动态 357

附录J 综合灵敏度分析 366

附录K Idagon 373

参考文献 378

译者编目

图中变量的中英文对照 389

地名和机构名的中英文对照 408

译后记 4102100433B

环境问题的解决需要理解环境系统行为，而环境系统行为的研究离不开各种各样模拟方法的应用。本书详细讲解了系统动力学模型建立的过程、步骤与方法以及在模拟过程中可能遇到的问题与解决途径，并结合20世纪美国面临的一些生态和环境问题，运用系统动力学模型常用的一个有效工具——Stella进行了大量的实例演示与分析。本书附录还简略介绍、对比分析了六种目前常用的模拟软件，包括Stella、Dynamo、Vensim、Powersim软件、电子表格和特殊函数。环境系统模拟对于帮助理解社会、经济、环境等问题的过程、机制和关系，解决环境系统各层面尤其是复杂环境系统中的各种动力学关系具有重要作用。本书突出了模型在环境模拟中的作用，并且对模拟工具也有较完整的说明和应用，便于广大研究者与实践人员更好地掌握系统模拟工具，理解模型的运用，对于推动环境系统模拟在我国地球系统研究和实践领域特别是环境和生态系统中的应用均有积极作用。

环境系统是具有一定调节能力的系统，对来自外界比较小的冲击能够进行补偿和缓冲，从而维持环境系统的稳定性。

环境系统的稳定性在很多情况下取决于环境因素与外界进行物质交换和能量流动的容量。容量愈大，调节能力也愈大，环境系统也愈稳定；反之，就不稳定。在地球环境系统中，海洋、土壤和植被是最巨大的调节系统，对于维护环境系统的稳定有巨大作用。海洋的巨大热容量,调节着地表的温度,使之不致发生剧烈变化。海洋又是二氧化碳(CO₂)的巨大储存库。海水中CO₂与大气中CO₂ 进行交换,处于动态平衡，因此海洋能使大气中的CO₂ 的浓度保持稳定,从而保持地表层热量的稳定（见环境热学）。土壤是陆地表面的疏松多孔体，又是一个胶体系统，对于植物所需的水分和养分有强大的吸收和释放能力。表土一旦丧失，土地肥力就急剧下降。植被通过根系和残落物层吸收水分和叶子的蒸腾作用，调节地面水分和热量，使气候稳定。在生态系统中，构成群落的生物种类愈是多样化，食物链和食物网愈复杂，生态系统也就愈稳定。由此可见，任意缩小水面，滥事垦殖，毁坏植被，消灭野生生物或任意引进新种，就会破坏环境中的稳定因素，降低环境抗御自然灾害的能力。

环境中也存在着某些不稳定因素，对外来的影响比较敏感。在一定的条件下，某个关键性因子发生小的变化，可能触发内在的反馈机制,引起一系列链式反应,对整个环境系统造成无法挽救的严重后果。例如，极地海冰就被认为是一个不稳定因素，因为它有巨大的反照率，吸收阳光的能力比陆地和海洋小得多，对温度变化很敏感。如果温度稍微降低（特别是夏天），海冰面积便会向赤道方向扩展。海冰面积的扩大，又将反射更多的阳光，使地球接受的热量减少。如果地球进一步降温，海冰面积就继续扩展，直到赤道为止。

至今为止，人类还未完全了解环境系统中许多错综复杂的机制，还未能建立精确的模式来揭示环境因素间的微妙平衡关系。人类仍然自觉与不自觉地不断破坏环境系统的平衡。例如人们在使用氯氟烃（通称氟里昂）时，没有想到它会破坏大气臭氧层的稳定，这个问题直到70年代中期才引起注意。

环境系统是环境各要素及其相互关系的总和。环境系统的范围可以是全球性的，也可以是局部性的。环境系统各要素之间彼此联系、相互作用，构成一个不可分割的整体。环境系统是一个开放系统，但能量的收入和支出保持平衡，因而地球表面温度恒定。环境系统在长期演化过程中逐渐建立起自我调节系统，维持它的相对稳定性。所有这些都是生命发展和繁衍必不可少的条件。

地球表面各环境要素及其相互关系的总和，构成地球环境系统。地球环境系统中，各种物质之间，由于成分不同和自由能的差异,在太阳能和地壳内部放射能的作用下,进行着永恒的能量流动和物质交换。各种生命元素如氧、碳、氮、硫、磷、钙、镁、钾等在地表环境中不断循环，并保持恒定的浓度。所以地球环境系统是一个动态平衡体系，有它的发生、发展和形成历史。地球环境与原始地球环境有很大的差别。各种环境因素彼此相互依赖，其中任何一个因素发生变化便会影响整个系统的平衡,推动它的发展，建立新的平衡（见环境演化）。

环境系统概念的提出，其意义是把人类环境作为一个统一的整体看待，避免人为地把环境分割为互不相关的支离破碎的各个组成部分。环境系统的内在本质在于各种环境因素之间的相互关系和相互作用过程。揭示这种本质，对于研究和解决当前许多环境问题有重大的意义。