Агрометеорологический аспект концептуального алгоритма районирования предгорных агроландшафтов под сельскохозяйственное использование

Размещено на http://www.allbest.ru/

АГРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО АЛГОРИТМА РАЙОНИРОВАНИЯ ПРЕДГОРНЫХ АГРОЛАНДШАФТОВ

ПОД СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Берсиров М. Т., Жирикова З. М.

Bersirov M. T., Zhirikova Z. М.

Берсиров Мухамед Талиевич -

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технической механики и физики, ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова», г. Нальчик

Тел.: 8 928 712 48 92

Жирикова Заура Мусаевна -

старший преподаватель кафедры технической механики и физики ФГБОУ ВО «Кабардино-Балкарский государственный аграрный университет им. В.М. Кокова», г. Нальчик

Тел.: 8 928 703 92 20

Bersirov Mukhamed Talivich -

Сandidate of Engineering Sciences, Senior Teacher in the chair of Technical Mechanics and Physics, FSBEI HE «Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov», Nalchik

Tel.: 8 928 712 48 92

Zhirikova Zaura Мusaevna -

Senior Teacher in the chair of Technical Mechanics and Physics, FSBEI HE «Kabardino-Balkarian State Agrarian University named after V.M. Kokov», Nalchik

Tel.: 8 928 703 92 20

Введение

Интенсивное развитие плодоовощеводства в Северо-Кавказском Федеральном округе, в частности, Кабардино-Балкарии предполагает сельскохозяйственное освоение предгорных агроландшафтов, характеризующихся наиболее плодородными почвами [13, с.19]. Одной из главных задач при этом является выбор предгорных территорий, наиболее пригодных под их сельскохозяйственное использование. Критериями для принятия решений в этом случае являются, обеспечение природоохранного режима, удобство применения сельскохозяйственных машин, наличие транспортных коммуникаций.

Наряду с перечисленными критериями стоят и агрометеорологические условия, к которым следует отнести тепловой и водный режимы почвы, существенно влияющие на урожайность.

1. Методы проведения работ

Для эффективного решения такого рода задач и принятия решений, необходимо иметь информационную базу, позволяющую оценить условия формирования теплового и водного режимов почвы в их динамике.

Принципиальная блок-схема информационной базы представлена на рисунке 1. Комплексный подход к исследованию теплового и водного режимов почв предгорных агроландшафтов, иллюстрируемый схемой, заключается в широком использовании методов моделирования параллельно с исследованиями натурного объекта. Рассматриваются три вида моделей: вещественная, натурная и математическая. Синтез добытых с их помощью знаний, совмещенных во времени, позволяет оперативно проводить корректировку каждой модели, осуществлять их более полное информационное насыщение и существенно влиять на принятие решений по районированию. Эксперименты на различных по своей природе объектах требуют специфического оснащения средствами способов сбора, обработки и хранения информации, однако методический подход к техническому оснащению всех трех рассматриваемых моделей должен быть единым [9].

Численный эксперимент на компьютере с использованием имитационной модели может выступать аналогом натурального эксперимента, проводимого в масштабах машинного времени. Обрабатывая данные численного эксперимента, подобно данным полевых наблюдений, можно получить возможность построения различных зависимостей регрессивного типа, которые можно использовать в специализированных вычислителях на основе микропроцессоров. Следует отметить, что такой методический подход позволяет проводить расчеты отдельных мелиоративных и агротехнических приемов при управлении элементами микроклимата в конкретных погодных и хозяйственных условиях.

В качестве средств измерения, обработки и хранения данных об изучаемых процессах, можно использовать информационно-измерительные системы, т. к. необходим системный подход, связанный со сложностью объекта исследования. Для первичной обработки экспериментальных данных можно использовать компьютеры, создавая массивы данных, полученных из модельных, численных и натуральных экспериментов, подвергать их статистической обработке и автоматизированное решение задач районирования.

Рисунок 1 - Принципиальная блок-схема информационной базы

На основе полученной информации о тепловлагообмене в почве принимают решения и делают рекомендации по районированию. До настоящего времени эти решения основывались на выработанных агрономической наукой и практикой рекомендациях, имеющих фрагментарный описательный характер, исключающий возможность принятия оптимальных, рациональных решений.

Принятие решений на районировании связано с хозяйственно-экономическими возможностями исполнителя и его экономико-социологическим состоянием. Актуальными вопросами системного подхода к районированию предгорных территорий являются: разработка моделей энерго- и массообмена в почвах, разработка теории принятия решений на различных уровнях, разработка и создание автоматизированных систем для измерения параметров, связанных с процессами возделывания сельскохозяйственных структур на склонах и повышения их продуктивности.

Изучению теплового режима почв на склонах предгорных территорий, посвящено значительное число работ, которые носят полевой экспериментальный характер [1, с. 160; 2, с. 157; 7, с. 46; 8, с. 144].

Содержащаяся в этих работах информация дает возможность наметить основные черты концептуального подхода к построению имитационных моделей теплового и водного режимов почвы с учетом крутизны склона, его ориентации относительно стран света и влияния мелиоративных приемов.

Опыт построения подобного рода моделей весьма невелик. Поэтому целесообразным в данном случае представляется использовать опыт моделирования, накопленный для равнинных условий [6, с.16].

При постановке тепло-влагообменной задачи, необходимо определить местоположение границ тела и формулировать условия энерго-и массопереноса в этих границах. В случае одномерного описания, число таких границ равно двум, при двух- или трехмерном варианте задачи число их возрастает. Кроме того, при многомерной постановке задачи возникают трудности в связи с изменчивостью процессов энерго-и массообмена вдоль границ. Для решения прикладных задач нужны простые алгоритмы расчета, поэтому желательно свести задачу к одномерной постановке. В условиях пересеченного рельефа поля температуры и влажности почвы многомерны, однако для пологих и длинных склонов, поля температуры и влажности изменяются, в основном, только с глубиной, поэтому одномерное описание тепловлагопереноса вполне оправданно [10, с. 279].

Обеспечение прогнозных расчетов с использованием имитационных моделей связано с наличием базы входных данных. Основными принципами обеспечения расчетов входной информации являются: идентификация метеорологической информации на основе эмпирических моделей, унификация формы представления входной информации, выравнивание пространственной неоднородности характеристик тепло- и влагопереноса на основе теории подобия.

Экспериментальная база. Источниками метеоинформации могут служить данные полевых экспериментов, в случае их отсутствия - материалы гидрометфондов. Однако, сеть метеостанций весьма редкая и для обеспечения расчетов возникает необходимость идентификации метеопараметров по данным наблюдений ближайших метеостанций. Решение этой задачи можно осуществить на основе эмпирических моделей, учитывающих микроклиматические особенности предгорных территорий, развитые в работах [10, с. 279; 11, с. 245; 12, с. 37], соотношение между метеорологическими параметрами на горизонтальных и наклонных участках оценивается с помощью линейных функций с эмпирическими коэффициентами: агроклиматический районирование почва земледелие

,

где:

- значение i-го метеопараметра на горизонтальной поверхности;

, - эмпирические коэффициенты, идентифицируемые по данным работы [10, с.150].

Для использования моделей, описывающих процессы формирования микроклиматических режимов, выполнения расчетов необходимо иметь данные о тепло- и влагофизических свойствах почвы, растительного покрова, приземного слоя воздуха. Такая информация является результатом натурных, лабораторных численных экспериментов и приводится в виде различных формализованных представлений: таблиц, графиков и эмпирических формул.

Принцип унификации формы представления входной информации предлагает создание информационного обеспечения, преобразованного к унифицированному виду, на который ориентирована модель, реализация этого принципа развита в работе [4, c. 180].

В случае анизотропности свойств почвы одномерные модели неприменимы, и возникает необходимость в многомерных постановках задачи, что не всегда можно реализовать ввиду сложности теоретического описания, преодолеть эти затруднения помогает теория подобия [3, с. 265].

Если характеристики тепло- и массопереноса по площади почвы склона достаточно однородны, то материалы расчета микроклиматических эффектов в какой-либо точке всегда можно распространить на всю территорию.

Распределение температуры в почве при одномерной постановке:

T(x,t)=F(Bi,F0),

где:

T(x,t) - температура почвы в точке x в момент времени t;

F - функция аргументов Bi и F0.

Аргумент Bi в формуле (1) представляет собой безразмерный комплекс Bi=Nx/л, где N - эффективный коэффициент теплообмена на границе почва-воздух; л - коэффициент теплопроводности почвы; величина F0=at/x2, где а - температуропроводность почвы, есть критерий Фурье. Если почвенный массив состоит из n областей с различными теплофизическими характеристиками, то при равенстве аргументов:

температуры: . Из (2) и (3) можно получить:

где:

С - теплопроводность почвы.

Формулы (4) и (5) позволяют рассчитывать эквивалентные значения xi и Ni для каждой i_ой области. Если размеры этих областей равны F1,… Fn, то средние значения x и N, будут равны:

В итоге проделанных операций неоднородный почвенный массив преобразовать в однородный, теплофизические характеристики которого равны л1, С1, a1, а расчетная глубина и эффективный коэффициент теплоотдачи x и N. Необходимость в многомерной постановке задачи отпадает, и можно осуществить описание теплового режима при помощи одномерной модели.

Результаты, выводы и область применения. Разработана информационная база комплексного исследования теплового режима почв предгорных агроландшафтов с целью эффективного решения задач районирования под сельскохозяйственное использование.

Литература

1. Берсиров Т.Г. Эффективность применения пленочной мульчи в условиях предгорной зоны Кабардино-Балкарии: сб. трудов по агрономической физике. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Вып. 31. С. 160-163.

2. Берсиров Т.Г. Изучение термической эффективности террасирования склонов в предгорной зоне Кабардино-Балкарии: сб. трудов по агрономической физике. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Вып. 31. С. 157-159.

3. Гухман А.А. Применение теории подобия к исследованию процессов теплообмена. М.: Высшая школа, 1967. 265 с.

4. Куртенер Д.А., Усков И.Б. Климатические факторы и тепловой режим в открытом и защищенном грунте. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. 231 с.

5. Куртенер Д.А., Чудновский А.Ф. Агрометеорологичеcкие основы тепловой мелиорации почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 235 с.

6. Куртенер Д.А., Трубачева Г.А. Математическая модель для прогнозирования термических эффектов, возникающих при тепловой мелиорации почв: сб. трудов по агрономической физике. Физические, агроэкологические и технические основы управления средой обитания растений. 1980. С. 16-29.

7. Мосиян А.С. Влияние экспозиции склонов и растительного покрова на термический и водный режимы почвы: в кн.: Ученые записи Краснодарского сельхоз. института. Краснодар, 1961. С.46-51.

8. Мищенко З.А. Оценка тепловых ресурсов территорий административных областей с учетом экспозиции склонов: труды ГГО, 1969. Вып. 248. С.144-153.

References

1. Bersirov T.G. Effektivnost primeneniya plenochnoj mulchi v usloviyakh predgornoj zony Kabardino-Balkarii: sb. trudov po agronomicheskoy fizike. L.: Gidrometeoizdat, 1973. Vyp. 31. S. 160-163.

2. Bersirov T.G. Izuchenie termicheskoj effektivnosti terrasirovaniya sklonov v predgornoj zone Kabardino-Balkarii: sb. trudov po agronomicheskoy fizike. L.: Gidrometeoizdat, 1973. Vyp. 31. S. 157-159.

3. Gukhman A.A. Primenenie teorii podobiya k issledovaniyu protsessov teploobmena. M.: Vysshaya shkola, 1967. 265 s.

4. Kurtener D.A., Uskov I.B. Klimaticheskie faktory i teplovoj rezhim v otkrytom i zaschischennom grunte. L.: Gidrometeoizdat, 1982. 231 s.

5. Kurtener D.A., Chudnovskij A.F. Agrometeorologicheskie osnovy teplovoj melioratsii pochv. L.: Gidrometeoizdat, 1979. 235 s.

6. Kurtener D.A., Trubacheva G.A. Matematicheskaya model dlya prognozirovaniya termicheskikh effektov, voznikayuschikh pri teplovoj melioratsii pochv: sb. trudov po agronomicheskoj fizike. Fizicheskie, agroekologicheskie i tekhnicheskie osnovy upravleniya sredoj obitaniya rastenij. 1980. S.16-29.

7. Mosiyan A.S. Vliyanie ekspozitsii sklonov i rastitelnogo pokrova na termicheskij i vodnyj rezhimy pochvy: v kn.: Uchenye zapisi Krasnodarskogo selkhoz. instituta. Krasnodar, 1961. S. 46-51.

8. Mischenko Z.A. Otsenka teplovykh resursov territorij administrativnykh oblastej s uchetom ekspozitsii sklonov: trudy GGO, 1969. Vyp. 248. S. 144-153.

9. Нерпин С.В., Полуэктов Р.А., Усков И.Б. Программирование урожаев, как основа системного подхода к управлению продуктивностью агроэкосистем: в кн.: Моделирование и управление процессами в агроэкосистемах. Л.: Гидрометиздат, 1984. С. 317.

10. Романова Е.Н. Микроклиматическая из-менчивость основных элементов климата. Л.: Гидрометиздат, 1977. C. 279.

11. Романова Е.Н., Мосолова Г.И., Береснева И.А. Микроклиматология и ее значение для сельского хозяйства. Л.: Гидрометиздат, 1983. С. 245.

12. Роджер Г. Барри. Погода и климат в горах. Л.: Гидрометиздат, 1984. С. 310.

13. Эльмесов А.М., Кашукоев М.В., Назранов Х.М., Езиев М.И. Агроклиматические особенности земледелия на эрозионно-опасных агроландшафтах Кабардино-Балкарии. Нальчик: КБГАУ, 2013. С. 120.

9. Nerpin S.V., Poluektov R.A., Uskov I.B. Programmirovanie urozhaev, kak osnova sistemnogo podkhoda k upravleniyu produktivnostyu agroekosistem: v kn.: Modelirovanie i upravlenie protsessami v agroekosistemakh. L.: Gidrometizdat, 1984. S. 317.

10. Romanova E.N. Mikroklimaticheskaya izmenchivost osnovnykh elementov klimata. L.: Gidrometizdat, 1977. S. 279.

11. Romanova E.N., Mosolova G.I., Beresneva I.A. Mikroklimаtologiya i ee znachenie dlya selskogo khozyaystva. L.: Gidrometizdat, 1983. S.245.

12. Rodzher G. Barri. Pogoda i klimat v gorakh. L.: Gidrometizdat, 1984. S. 310.

13. Elmesov A.M., Kashukoev M.V., Nazranov Kh.M., Eziev M.I. Agroklimaticheskie osobennosti zemledeliya na erozionno-opasnykh agrolandshaftakh Kabardino-Balkarii. Nalchik: KBGAU, 2013. S. 120.

Аннотация

В статье дано обоснование актуальности поставленной задачи, обоснованное интенсивным развитием садоводства, одного из приоритетных направлений аграрного производства КБР в рамках программы по импортозамещению. Планируемая закладка новых садов предполагает освоение предгорных территорий.

Эффективное решение этой задачи возможно только на основе системного подхода к районированию почв предгорных агроландшафтов. Важным критерием оценки плодородия почв являются агрометеорологические условия.

В работе изложены концептуальные подходы к решению задачи агроклиматического районирования почв на основе создания информационной базы, предусматривающей комплексный подход к исследованию энерго- и массопереноса в почвах агроэкосистем.

При разработке системы земледелия на склоновых почвах Кабардино-Балкарии необходимо учитывать особенности микрометеорологических условий, отличных от равнинных. С этой целью в работе рассматриваются возможности: обеспечения прогнозных расчетов с использованием имитационных моделей входной метеоинформацией, одномерная постановка задачи энерго- и массопереноса в почвах, а также унификация формы представления входной информации.

Ключевые слова: информационная база, энерго- и массоперенос, имитационная модель, микроклиматологическая информация, алгоритм, программа, районирование, идентификация, критерий Фурье, Био, эмпирическая модель, агроландшафт, мелиорация, информационно-измерительная система, теплофизические характеристики.

The article substantiates the relevance of the task, informed intensive development of horticulture, one of the priorities of the agricultural production of the KBR under the import-substitution program. The planned laying of new orchards requires the development of foothill areas.

An effective solution to this problem is possible only on the basis of a systematic approach to zoning soil foothill agricultural landscapes. An important criterion for evaluation of agro-meteorological conditions are soil fertility.

The paper presents the conceptual approaches to the agro-climatic zoning of soil problems through the creation of an information base, providing com-integrated approach to the study of energy and mass transport in soils agro-ecosystems.

In the development of farming systems on sloping soils of Kabardino-Balkaria is necessary to take into account the particular conditions micrometeorology- than the plains. For this purpose, in this paper we consider the possibility of: providing predictive calculations with the use of simulation models-tion input meteorological data, dimensional staging backside chi energy and mass transfer in the soil as well as the unification of the presentation of the input information.

Key words: information base, energy and mass transfer, simulation model, microclimatological information, algorithm, program, zoning, Identification, the Fourier criterion, Bio, empirical model, agrolandscape, reclamation, information-measuring system, thermal characteristics.

Размещено на Allbest.ru