Построение ансамбля траекторий роста растения в условиях неопределенности экологических факторов
Управление урожайностью сельскохозяйственных культур на основе математического моделирования. Алгоритм построения трубки (ансамбля траекторий) вариантов развития растения при заданном разбросе параметров экологических факторов в каждый момент времени.
| Рубрика | Экология и охрана природы |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.11.2018 |
| Размер файла | 54,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
КГТУ им. А.Н. Туполева
Построение ансамбля траекторий роста растения в условиях неопределенности экологических факторов
Н.И. Вафин
Аннотация
В данной работе рассматривается проблема управления урожайностью сельскохозяйственных культур на основе математического моделирования процесса роста в условиях неопределенности. Неопределенность заключается в неточно известных реализациях экологических факторов. К экологическим факторам относятся температура, влажность, ветер, состав почвы и т.д. Рассматривается интервальная неопределенность. Предложен алгоритм построения трубки (ансамбля траекторий) возможных вариантов развития растения при заданном разбросе параметров экологических факторов в каждый момент времени.
Существуют оптимальные уровни влажности и температуры воздуха, при которых достигается максимальный прирост зеленой массы. Диапазон изменения зеленой массы растения в значительной мере зависит от оптимальной, минимальной и максимальной влажности почвы и температуры воздуха. Функция, характеризующая поведение зеленой массы растения во времени, сверху ограничена кривой, построенной при оптимальных условиях, а снизу - кривой, построенной путем комбинации наихудших условий в каждый момент времени. Риски потери урожая перекладываются на риски реализации исходных параметров из заданных интервалов. Применение предложенного математического аппарата позволяет решать задачу управления сельскохозяйственными рисками в условиях неопределенности экологических факторов.
ансамбль траектория экологический фактор растение
1. Математическая модель изменения зеленой массы растения в зависимости от влажности почвы и температуры воздуха
На основе работ [1], [2] была построена математическая модель изменения зеленой массы растения в зависимости от влажности почвы и температуры воздуха.
Изменение зеленой массы во времени характеризуется уравнением (1.1):
, M (t0) = M0, t [t0, ), (1.1)
где t - время, M (t) - количество зеленой массы растения на некоторой единичной площади, M0 - количество зеленой массы в начальный момент времени t0, k0 - коэффициент, показывающий влияние массы растения на ее прирост при оптимальных условиях роста, kе - коэффициент, отражающий влияние прочих экологических факторов, kw - коэффициент, отражающий влияние влажности почвы на прирост зеленой массы, kT - коэффициент, отражающий влияние температуры воздуха на прирост зеленой массы. Коэффициенты kW (W) и kT (T) определяются выражениями (1.2), (1.3):
, (1.2)
, (1.3)
где W (t) - влажность почвы, T (t) - температура воздуха, Wопт - оптимальная влажность почвы, Tопт - оптимальная температура воздуха, - коэффициенты соответствующих парабол. Эти коэффициенты считаются постоянными на каждой стадии развития растения.
2. Постановка задачи построения интервала возможной урожайности в зависимости от погодных условий
Изменение зеленой массы растения во времени описывается системой уравнений (1.1) - (1.3). Предположим, что влажность почвы W (t) задана в виде кусочно-постоянной функцией от времени, а для конкретной культуры известна оптимальная температура воздуха в каждый момент времени. Также известны минимальная и максимальная температуры воздуха в каждый момент времени, соответственно, Tmin (t) и Tmax (t), для данного района.
Предполагается, что оптимальная температура воздуха в рамках одного этапа роста растения считается постоянной.
Введем обозначение I для интервала возможных температур в каждый момент времени: .
Необходимо построить интервал возможной урожайности в момент сбора плодов, в зависимости от погодных условий. Для этого нужно найти возможный интервал количества зеленой массы в каждый момент времени, в зависимости от заданного интервала температуры. Для отображения интервала зеленой массы, необходимо построить кривые, выше и ниже которых не может располагаться функция, отражающая поведение количества зеленой массы во времени, при заданных погодных условиях. Принадлежность количества зеленой массы построенному интервалу будет определяться точностью задания интервала температур. В конце периода роста растения интервалу зеленой массы ставится в соответствие интервал возможной урожайности исследуемой культуры.
3. Алгоритмы построение ансамбля траекторий изменения зеленой массы растения, в зависимости от температуры воздуха
В виду того, что изменение зеленой массы квадратично зависит от температуры воздуха, функция, характеризующая изменение зеленой массы растения во времени, сверху ограничивается кривой, построенной при оптимальной температуре, а снизу - кривой, построенной при комбинации минимальной и максимальной температуры воздуха в данный период времени.
Это следует из того, что коэффициент kT (T) в уравнении (1.1), описывающий влияние температуры воздуха на изменение зеленой массы, имеет максимальное значение, равное 1, которое достигается только при оптимальном значении температуры воздуха Tопт (t). Если значение температуры воздуха больше или меньше оптимальной температуры, то значение коэффициента kT (T) будет меньше 1, следовательно, рост зеленой массы будет меньше чем при оптимальных условиях.
На основе этого разработан алгоритм построения ансамбля траекторий развития растения в зависимости от различных вариантов реализации температуры воздуха. На рисунке 1 приведен пример, иллюстрирующий построение ансамбля траекторий развития зеленой массы сельскохозяйственной культуры при двух вариантах изменения максимальной, минимальной и оптимальной температур воздуха в период вегетации растения.
Таким образом, в данной работе предложены алгоритмы построения ансамбля возможных траекторий роста растения при заданных уровнях неопределенности температуры воздуха. Эти алгоритмы позволяют на основе аналитических исследований определять возможный диапазон урожаев сельскохозяйственных культур при заданных интервальных неопределенностях погодных условий.
Рисунок 1. Изменение зеленой массы растения в зависимости от температуры при различных интервалах неопределенности
Список литературы
1. Вафин Н.И., Сиразетдинов Б.Р. Математическое моделирование динамики роста сельскохозяйственной культуры с учетом изменения влажности почвы // VI Всероссийская школа-семинар молодых ученых <Управление большими системами>, - Т1. - Ижевск, 2009, с.81 - 88.
2. Вафин Н.И. Динамическое моделирование роста сельскохозяйственных культур на основе структурной схемы взаимодействия основных факторов // VII Всероссийская школа-семинар молодых ученых <Управление большими системами>: Сборник трудов. - Т1, Пермь: ПГТУ, 2010. - с.183-189.
3. Cиразетдинов Р.Т. Параметрический синтез управления летательными аппаратами в условиях неопределенности начальных условий и возмущающих воздействий. - Изв. ВУЗов. Сер. "Авиационная техника". Казань: Изд. КАИ, 1986, N 3, с.35-40.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Общие правила и закономерности влияния экологических факторов на живые организмы. Классификация экологических факторов. Характеристика абиотических и биотических факторов. Понятие об оптимуме. Закон минимума Либиха. Закон лимитирующих факторов Шелфорда.
курсовая работа [445,5 K], добавлен 06.01.2015Изменения экологических факторов, из зависимость от деятельности человека. Особенности взаимодействия экологических факторов. Законы минимума и толерантности. Классификация экологических факторов. Абиотические, биотические и антропические факторы.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 07.01.2015Понятие экологических факторов, их классификация и определение оптимума и толерантности. Лимитирующие факторы и закон Либиха. Воздействие экологических причин на динамику численности. Основные способы адаптации особи к изменениям абиотических факторов.
реферат [162,3 K], добавлен 24.03.2011Действие экологических факторов на здоровье человека. Реакция организма на изменения экологических факторов. Биологическое загрязнение и болезни человека. Влияние вибрации, электрического поля и электромагнитного излучения. Ландшафт как фактор здоровья.
курсовая работа [3,0 M], добавлен 05.07.2014Краткий обзор экологических проблем человечества. Живые утилизаторы один из вариантов решения экологических проблем. Функцией утилизаторов является очищение окружающей нас природы от загрязнений различного характера. Микроорганизмы и растения утилизаторы.
научная работа [43,0 K], добавлен 09.02.2009Структура окружающей среды. Комплексное воздействие факторов среды на организм. Влияние природно-экологических и социально-экологических факторов на организм и жизнедеятельность человека. Процесс акселерации. Нарушение биоритмов. Аллергизация населения.
реферат [20,2 K], добавлен 19.02.2009Сравнительная характеристика сред обитания и адаптаций к ним организмов. Условия обитания организмов воздушной и водной среды. Понятие и классификация экологических факторов, законы их действия (закон оптимума, минимума, взаимозаменяемости факторов).
презентация [6,8 M], добавлен 06.06.2017Общесистемный подход к моделированию экологических систем. Моделирование межвидовых взаимоотношений на примере комменсализма. Решение системы дифференциальных уравнений и построение фазовых траекторий (с помощью метода изоклин) и фазового портрета.
курсовая работа [1,5 M], добавлен 29.04.2011Деятельность живых организмов. Основные абиотические и биотические факторы. Формы взаимодействия между живыми организмами. Классификация экологических факторов по степени адаптивности. Факторы неживой природы. Классификация по степени постоянства.
презентация [2,2 M], добавлен 18.04.2014Влияние экологических факторов на состояние экосистем. Особенности воздействия солнечного света. Состав лучистой энергии, воздействие на растения видимого света. Сезонная ритмичность в жизнедеятельности организмов, тепловой режим. Криофилы и термофилы.
лекция [15,8 K], добавлен 15.11.2009Экосистема как основная функциональная единица экологии, включающая живые организмы и абиотическую среду, схема строения биогеоценоза. Влияние природных и антропогенных факторов на экосистемы. Пути разрешения кризисного состояния экологических систем.
реферат [72,3 K], добавлен 27.11.2009Проблема загрязнения атмосферного воздуха - одна из наиболее острых экологических проблем Кемеровской области. Параметры роста, развития березы как фактор тестирования наличия атмосферных токсикантов. Использование березы для мониторинга окружающей среды.
курсовая работа [222,6 K], добавлен 13.12.2009Рассмотрение факторов, влияющих на здоровье. Изучение наиболее используемых продуктов питания. Исследование уровня здоровья школьников (на основе медицинского осмотра). Пропаганда здорового образа жизни, исходя из результатов данного исследования.
презентация [433,4 K], добавлен 21.05.2015Методологические и теоретические основы процесса моделирования экологических систем и процессов. Исследование влияния поверхностно-активных веществ на водные растения на примере элодеи. Сравнительный анализ компонентов синтетических моющих средств.
курсовая работа [258,6 K], добавлен 23.01.2013Определение чистеца болотного. Рассмотрение особенностей экологических предпочтений растения на основании шкал Д.Н. Цыганова. Построение графической модели амплитуды экологического ареала. Характеристика чистеца болотного как мезобионтного вида.
курсовая работа [36,6 K], добавлен 25.06.2015Общая характеристика химического загрязнения природных сред. Изучение экологически опасных факторов химической природы. Эколого-аналитический контроль как основа химического мониторинга. Понятие и классификация методов экологических исследований.
контрольная работа [102,2 K], добавлен 07.08.2015Воздействие экологических факторов окружающей среды (климата, температуры, влажности) на живые организмы. Проявление биотических факторов во взаимоотношениях организмов при совместном обитании: хищничество, паразитизм, симбиоз. Свойства популяции.
реферат [20,9 K], добавлен 06.07.2010Изучение специфической среды (определенная пища, хищники, температура, соленость воды) к которой приспособлен каждый вид на Земле. Особенности света, как экологического фактора. Характеристика температуры и влажности, как важных экологических факторов.
контрольная работа [28,8 K], добавлен 19.07.2010Оценка содержания школьных учебных пособий по экологии. Программное содержание экологического образования. Исследование роли антропогенных факторов среды. Изучение взаимоотношений общества и природы. Создание культурного компонента экологических знаний.
статья [38,1 K], добавлен 28.11.2014Влияние экологических факторов на жизнедеятельность населения. Оценка влияния загрязняющих веществ на растительный и животный организм и биоту. Борьба с радиоактивным загрязнением среды. Мероприятия по решению экологических проблем Восточного Казахстана.
реферат [31,2 K], добавлен 12.11.2013
