Оптимальное распределение ресурсов в ландшафтно-мелиоративных системах нового поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимальное распределение ресурсов в ландшафтно-мелиоративных системах нового поколения

Сафронова Т.И., д-р техн. наук, доцент

Владимиров С.А., канд. техн. наук, профессор

Соколова И.В., канд. пед. наук, доцент

Аннотация

инвестиционный неопределенность ущерб природоохранный

Мелиоративная система определяет режим функционирования агроландшафта. Разработка анализа инвестиционной деятельности в природоохранной сфере является сложной задачей. Необходимо количественно оценивать мероприятия, их состав, объем, очередность, сроки ввода. В статье оцениваемые параметры трактуются случайными величинами. Это позволяет рассмотреть неопределенность в терминах вероятностных распределений. Получено выражение, позволяющее количественно оценить ущерб с учетом вероятностной неопределенности экологических, экономических и других факторов проекта. Предложенный в работе итеративный процесс планирования может быть основой программы, соответствующей оптимальной производственной деятельности при условии поддержания состояния внешней среды на заданном уровне.

Ключевые слова: мелиоративная система, вероятностная неопределенность, устойчивость агроландшафта.

Введение

В настоящее время вопросы повышения плодородия почв весьма актуальны. Потому важны методы, позволяющие заранее оценить намечаемые мероприятия для повышения плодородия почв и для ликвидации ущерба окружающей среде. Интенсивное развитие сельского хозяйства не может эффективно выполняться без комплексных мероприятий по охране сельскохозяйственных земель от различных видов деградаций. С одной стороны, необходимо обеспечивать получение максимального урожая сельскохозяйственных культур, с другой - сохранить и приумножить плодородие почвы и не допустить отрицательного антропогенного воздействия на окружающую среду. Для расширенного воспроизводства почвенного плодородия необходима система мероприятий - внесение в почву минеральных и органических удобрений, агротехнические и мелиоративные приемы, стимулирование процессов гумусообразования и т.д. Повышение биогенности почв, пополнение запасов органического вещества - общее условие повышения устойчивости агроландшафтов. Необходимо определить оптимальный перечень мелиоративных работ, обеспечивающий максимальную эффективность мелиорации при заданных ограничениях на капиталовложения и другие ресурсы.

Разработка количественных методов обоснования выбора наиболее целесообразных вариантов и принятия управленческих решений актуальны в настоящее время [4]. Чем сложнее, дороже намечаемое мероприятие, тем менее допустимы в нем волевые решения и тем актуальнее становятся научные методы, позволяющие заранее оценить последствия каждого решения, исключить недопустимые варианты и рекомендовать наиболее удачные. Цена принимаемых решений очень велика. При этом необходимо предусмотреть и внедрить комплекс природоохранных мероприятий, обеспечивающих охрану земельных и водных ресурсов и производство качественной сельскохозяйственной продукции.

В мелиорации важнейшим объектом является земля с ее почвенным покровом. Организационно-хозяйственные мероприятия при осуществлении оросительных и осушительных работ предполагают внедрение высоких технологий [5]. Но орошение может оказывать негативное воздействие на почву и окружающую среду, что приводит к нежелательным процессам в почве и проявляется в следующем:

- повышается уровень грунтовых вод, вследствие чего происходит засоление почв и заболачивание территории;

- изменяется состав обменных катионов, увеличивается содержание обменного кальция;

- происходит осолонцевание почвы;

- разрушение структуры почвенного покрова;

- изменение рН, увеличение концентрации соды

Почвы становятся непроницаемыми для воды и воздуха. При большом содержании солей такие почвы оказывают токсичное воздействие на растения. В зависимости от степени проявления этих процессов может снижаться урожайность сельскохозяйственных культур или полное исключение этих земель из сельскохозяйственного оборота. Потому одним из приоритетных направлений мелиоративных проектов является разработка и внедрение природоохранных технологий, которые обеспечивают повышение экологической безопасности агроландшафтов и способствуют предотвращению негативных процессов при антропогенном воздействии [6].

Приведем примеры возможных мероприятий:

- система обработки почвы, направленная на улучшение ее структуры, строения и водно-физических свойств;

- внесение органических и минеральных удобрений;

- мероприятия по устранению щелочности и кислотности почв, осушению заболоченных земель;

- промывка почв. Затраты на промывку почвы зависят от степени засоления, следует также учитывать ущерб от недопромывки почв.

В современном сельскохозяйственном производстве особенно важна проблема устойчивости агроландшафта. Низкая устойчивость агроландшафтов по сравнению с природными объясняется нарушением механизмов саморегуляции. Необходимо ориентироваться на те режимы функционирования агроэкосистем, которые позволят повысить потенциал их саморегуляции. Стремление сельхозпроизводителя максимально преодолеть природные процессы наталкивается на большие экономические издержки и неблагоприятные экологические последствия. Для достижения оптимального уровня экологического равновесия и устойчивости агроландшафта необходим количественный подход. При этом экологические требования должны быть приоритетными.

Оптимизация распределения ресурсов при планировании мелиоративных мероприятий - сложная квалиметрическая задача. Постановка задачи при распределении ресурсов состоит в производстве сельскохозяйственной продукции в заданном объеме при сохранении экологической устойчивости агроландшафта. В каждом мелиоративном проекте проводится анализ влияния намечаемых мероприятий на окружающую среду, определяются меры по нейтрализации или ограничению ущерба. При этом необходимо учитывать следующие критерии экологической оценки состояния почв. Не допускать:

- увеличения плотности почвы;

- превышения уровня грунтовых вод;

- превышения предельно допустимой концентрации загрязняющего вещества.

Оценку экологического состояния почв следует проводить с учетом площади проявления рассматриваемого критерия.

Необходимо провести анализ подходов к улучшению состояния мелиорируемых земель и на этой основе осуществить эколого-экономическую оценку их применения.

Вторичное засоление и осолонцевание почв происходит в результате вымывания из пахотного слоя гумуса, кальция, коллоидных и питательных веществ. В последние годы эти явления углубились из-за резкого подорожания минеральных удобрений, из-за недостатка средств на мелиоративные мероприятия. В этой связи требуется обоснование приемов регулирования процессов на мелиорируемых землях, поиск новых приемов, дешевле существующих, менее трудоемких при их выполнении и отвечающих экологическим требованиям.

Особенность оценки эффективности природоохранных проектов состоит в необходимости учета вероятностного характера происходящих процессов. Степень возможности определенных сценариев характеризуется их вероятностью или вероятностными распределениями. Для учета стохастического характера процессов необходим выбор подходящих вероятностных моделей.

Отличием проектов, разрабатываемых для детерминированных ситуаций, от проектов, учитывающих факторы неопределенности, состоит в том, что во втором случае условия реализации проекта неизвестны и надо учитывать весь спектр их возможных значений.

В этой связи возникает необходимость рассмотрения различных вариантов проекта, введение новых показателей эффективности природоохранных проектов.

Объекты и методы

Для наблюдения за мелиоративным состоянием орошаемых земель в Краснодарском крае была создана специализированная организация - Кубанское гидрогеолого-мелиоративное государственное учреждение (КГМГУ). Специалистами КГМГУ ведутся постоянные наблюдения за режимом грунтовых вод, наличием солей в них и в поливной воде, а также в пахотном слое почвы. Построены стационарные площадки, гидрохимические посты, скважины режимной сети.

Целью контроля за мелиоративным состоянием земель является получение информации для своевременной разработки и осуществления мероприятий по предотвращению развития неблагоприятных процессов, по улучшению земель. В отчетах Кубанского государственного гидромелиоративного учреждения отмечается, что на орошаемых землях кроме вторичного засоления зафиксировано вторичное ожелезнение и заболачивание почв, декальцинация, дегумификация почвы, непроизводительные потери веществ, загрязнение почв, грунтовых вод, водоисточников, слитизация и усиление глеевых процессов.

В области комплексной оценки качества почв ведутся работы по теоретическому обоснованию основных положений методики оценки качества почв, включающих оценки по комплексу показателей - физических, гидрохимических, гидробиологических [1]. Следует подчеркнуть, что обоснование критериев оценки качества почв, объема и характера исходной информации должно исходить из концепции сохранения экологического благополучия почв, при котором обеспечивается устойчивость экосистемы и её нормальное функционирование.

Любая мелиоративная работа требует привлечения разнообразных ресурсов. Составляющие комплексного ресурса имеют самую различную природу: они могут быть информационными, материальными, трудовыми, энергетическими, земельными. Выполнение работы может быть осуществлено с помощью различных наборов компонент комплексного ресурса. Необходимо определить оптимальный перечень мелиоративных работ, обеспечивающий максимальную эффективность мелиорации при заданных ограничениях на капиталовложения и другие ресурсы.

Оптимизационная задача

Рассмотрим оптимизационную задачу о нахождении закона изменения цены мелиоративного состояния агроландшафта, обеспечивающую максимальную прибыль с учетом потерь от неблагоприятного состояния. Для поддержания нового состояния ландшафта требуются специальные затраты по мере интенсификации производства. При этом возрастает и цена экологической устойчивости. Наименьшей ценой устойчивости характеризуются наиболее благополучные по условиям возделывания сельхоз культур агроландшафты.

Пусть S - цена намечаемого мероприятия. Цена экологической устойчивости агроландшафта включает затраты на мероприятия по охране почв от разрушения и поддержание экологических функций. Предполагаем, что S(t) строго монотонно убывает со временем от некоторой цены S₀ = S(0); намечаемые мероприятия образуют пуассоновский поток интенсивности , R(S) - вероятность наступления неблагоприятного состояния. В статье «Вероятностная модель процесса снижения цены намечаемого мероприятия» [1] вычислены основные характеристики цены мелиоративного состояния аголандшафта и промежутка времени до наступления благоприятного состояния - математическое ожидание, дисперсия, плотность распределения вероятностей. Приведем формулу для плотности вероятностей промежутка времени до наступления благоприятного состояния агроландшафта

Пусть - некоторая минимальная цена, такая что , то есть по этой цене отмечается наступление ущерба окружающей среде всегда.

Далее предположим, что если благоприятное мелиоративное состояние наступит в момент времени , то системе будет нанесен ущерб, равный . Общий доход будет равен

и задача принимает вид

.

Решим эту задачу, используя идеи вариационного исчисления [2]. Заменяя на , получим, что Q изменится на величину

.

Переставляя во втором слагаемом интегралы, приведем его к виду

.

Таким образом, при под знаком интеграла в стоит выражение

-

и согласно основной лемме вариационного исчисления на экстремали оно должно обращаться в нуль:

. (1)

Поделим обе части этого выражения на и продифференцируем по . Тогда получим

.

Сокращая экспоненты и приводя подобные, получим

.

Вычисляя производную

,

приведем окончательно уравнение для оптимального значения к виду

. (2)

Оно является дифференциальным уравнением первого порядка относительно .

Результаты

Решение уравнения (2) содержит одну неизвестную константу. Для ее определения можно поступить, например, так: в уравнении (1) положить . Тогда получим дополнительное условие

, (3)

из которого можно определить эту константу.

Рассмотрим частный случай, когда . Тогда уравнение (2) принимает вид

. (4)

Покажем, что его решение имеет вид . Действительно, в этом случае и уравнение (4) превращается в алгебраическое уравнение

. (5)

Проверим, что для этого решения выполняется условие (4). Действительно, подставляя в него предполагаемое решение, мы получим после вычисления интеграла

,

что совпадает с (5).

Обсуждение

В [3] разработан алгоритм проектирования ландшафтно-мелиоративных систем нового поколения. В алгоритм включен комплекс упреждающих и экономически ориентированных природно-охранных мероприятий. В [3] подчеркивается необходимость стоимостной оценки негативных последствий, рисков и ущербов. Полученная нами формула (5) позволяет количественно оценить ущерб. Если ущерб приемлем, необходимо формировать банк данных технологий предотвращения рисков и ущербов и условий их реализации.

Заключение

Экологические проблемы должны быть учтены на всех уровнях планирования. Необходимо создать оптимальную систему природопользования и землепользования, сочетающую экономическую эффективность и экологическую устойчивость. Предложенный в работе итеративный процесс планирования может быть основой программы, соответствующей оптимальной производственной деятельности при условии поддержания состояния внешней среды на заданном уровне, при выборе оптимального сочетания различных природоохранных мероприятий, удовлетворяющих требованиям экологической сбалансированности.

При выборе управляющего воздействия часто возникает вопрос о замене одних управляющих факторов другими, имеющими сходное влияние на перевод объекта управления в данное состояние. Намеченный подход позволяет решить эту задачу и найти оптимальное соотношение мероприятий по предотвращению экологического ущерба. Рассмотренное понятие цены устойчивости агроландшафта позволяет объективно выбирать оптимальное решение по использованию ресурсов.

В ходе разработки проекта сопоставляется несколько его вариантов. Разные варианты проекта могут различаться не только техническими параметрами, но и организационно-экономическим механизмом реализации. Поэтому, если рассматривать проектирование как процесс выработки лучшего варианта проекта, то оно должно предусматривать и проработку различных вариантов организационно-экономического механизма, наиболее рациональный из которых будет принят к реализации.

Список литературы

1. Доклад «О состоянии природопользования и об охране окружающей среды Краснодарского края в 2016 году» с. 76.

2. Вальков В.Ф. Почвы Краснодарского края, их использование и охрана / В.Ф. Вальков, Ю.А. Штомпель, И.Т. Трубилин и др. // СКНЦ ВШ. - Ростов-на-Дону. - 1995. - 192 с.

3. Николаева М.А. Анализ и управление эколого-экономическими рисками / М.А. Николаева, Д.Р. Курбангалеева, А.И. Агадуллина // Труды 12-й международной конференции CSIT 2010, Уфа - Москва -Санкт-Петербург, Россия. - 2010. - т. 3 - с. 185-188.

4. Сафронова Т.И. Обоснование метода управления агроресурсным потенциалом агроландшафтов / Т.И. Сафронова, А.Е. Хаджиди, Е.В. Холод //Современные проблемы науки и образования, 2015. № 2 с. 223-227.

5. Соколова И.В. Математическая модель принятия управленческих решений на сельскохозяйственном предприятии в условиях риска и неопределенности Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2016. № 120. С. 1617-1628.

6. Рекс, Л.М., Умывакин, В.М., Сафронова, Т.И. и Приходько И.А. (2008). Математическая модель экологической ситуации на рисовой оросительной системе. [online] Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. Доступно по ссылке: http://ej.kubagro.ru/2008/10/pdf/03.pdf [Дата обращения 16.04.2018].

7. Сафронова, Т.И. и Соколова, И.В. (2017) Вероятностная модель снижения цены мелиоративного мероприятия. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. Доступно по ссылке: http://ej.kubagro.ru/2017/08/pdf/26.pdf [Дата обращения 16.04.2018].

8. Кузнецов Е.В. Разработка модели охраны земельных ресурсов / Е.В. Кузнецов, Т.И. Сафронова, И.В. Соколова // Journal of Environmental management and tourism, 2017. Vol.YIII (17) pp 78-83.

Размещено на Allbest.ru