Численный метод управления сельскохозяйственной и природоохранной деятельностью на осушаемых землях

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.6001.57:504.064.003.13

Национальный университет водного хозяйства и природопользования,

Численный метод управления сельскохозяйственной и природоохранной деятельностью на осушаемых землях

В.С. Мошинский

г. Ровно

Каждый исследователь, когда-либо имеющий дело с проблемами мелиорируемых земель, обязательно сталкивается со следующими главными их особенностями и свойствами:

1. Двойственность главного аспекта существования, с одной стороны, четкая сельскохозяйственная направленность на достижение генеральной цели - производства продовольствия, с другой - сопутствующее «дополнение» в виде совокупности природоохранных проблем и экологических рисков, вытекающих из результатов землеустроительного, гидротехнического и сельскохозяйственного обустройства земель, их эксплуатации и использования.

2. Заимствуемая от исходных природных систем сложность, целостность, полиструктурность, стохастичность, открытость и т.д., и, как следствие, плохая описываемость и управляемость [1, 2].

3. Пространственная изменчивость свойств и спонтанность направлений целевого использования земель.

Многолетние исследования, проведенные в течение предыдущих лет на осушаемых землях Украины и изложенные в разное время в работах А.М. Янголя, В.Е. Алексеевского, В.Р. Булдея, С.М. Перехреста, О.З. Реверы, Г.П. Кубышкина, Г.С. Потоцкого, С.Т. Вознюка, П.И. Коваленко, М.И. Ромащенко, Н.И. Клименко, А.Н. Рокочинского, Р.С. Трускавецького, О.В. Скрипника, В.С. Мошинского, С.А. Балюка, А.В. Яцыка и многих других ученых России, Украины, Белоруси, Нидерландов, Литвы, Польши, других стран, позволяют утверждать, что период сбора, накопления, предварительной обработки информации и установления частных закономерностей в целом завершен. Современные требования к сельскохозяйственным и экологическим функциям мелиорированных земель, особенности их устройства и комплексность задач, заставляют искать новые пути учета, оценки, прогнозирования и, что самое главное, эффективного управления землями с регулируемым водным режимом. В этом направлении и развиваются наши исследования, проводимые в течение двух последних десятилетий. земля компьютерный имитационный математический

Несовершенство существующих методов управления продуктивностью осушаемых земель, отсутствие методов управления их экологической устойчивостью ставят задачу разработки методов и методик комплексного управления процессами выращивания сельскохозяйственных культур и ведения природоохранной деятельности на осушаемых землях [3…8]. В то же время, в условиях неполноты информации о состоянии мелиорируемых земель поистине бесценными являются данные функционирующей в Украине системы эколого-мелиоративного мониторинга осушаемых земель и мониторинга водных ресурсов. Именно на использование этих данных мы и ориентировались при разработке предлагаемых подходов, методов и математических моделей.

Главной утилитарной целью данного проекта являлось создание системы поддержки сельскохозяйственных и природоохранных управленческих решений (СППР) с применением методов математического моделирования на основе учета объективной мониторинговой информации о состоянии осушаемых земель Украины. Ниже изложены общие принципы построения системы методов и моделей, положенных в основу СППР.

Для целей разработки методов оценки, прогнозирования и управления продуктивностью осушаемых земель были применены методы общей теории систем, основные методы системного анализа и математического моделирования [3…8]. Имитационное моделирование реализуется путем решения с помощью численных методов системы алгебраических уравнений, сформулированных на основе динамической теории меры [9], основных законов земледелия и экологии. При установлении набора переменных и идентификации параметров модели продуктивности применялись методы математической статистики и теории вероятностей, итерационные методы, методы теории измерений, экспертного оценивания, теории исследования операций и теории графов. В процессе верификации и применения математических моделей использовались методы математического моделирования и машинного экспериментирования на ЭВМ. Обработка эмпирического материала и результатов моделирования проводилась с применением математико-статистических и графических методов.

В качестве критерия цели при моделировании и оценке состояния осушаемых земель использовалась биологическая урожайность.

Установлено, что величина урожайности на осушаемых землях главным образом зависит от четырех факторов: потенциального плодородия почв и почвенных условий; уровня обеспеченности светом; теплового режима атмосферы и почвы; ботанических, морфологических и биологических особенностей растения или растительной ассоциации [10]. С учетом этого разработана математическая модель и система поддержки сельскохозяйственных, мелиоративных, природоохранных и других управленческих решений. При этом использовались некоторые положения динамической теории меры. Рабочей гипотезой стало предположение о том, что общий результат от частного действия каждого фактора продуктивности земель аддитивен, при этом участие каждого фактора имеет некоторую динамическую меру, заданную на множестве значений весов факторов продуктивности и выполняется закон совокупного действия факторов. Базовым оператором модели продуктивности являлся функционал меры Лебега (зависимости (1), (2)). Количество биомассы урожая рассчитывается по приведенным ниже уравнениям (1)…(5):

,

,

,

где , - весовые коэффициенты совокупного действия факторов продуктивности; К - эмпирический коэффициент относительной продуктивности; yb - максимальное значение продуктивности; ya - весовая составляющая урожая (2); ys - синергетическая составляющая урожая; - частные значения продуктивности как результат обособленного действия факторов; - весовые коэффициенты факторов; ns - количество стрессовых повреждений; ks - коэффициенты повреждения растений; - параметр совокупного действия.

Продуктивность земель, обеспеченная почвенным плодородием и почвенными условиями, а также определяющие его частные почвенные составляющие рассчитывается по функционалу меры:

, ,

где yp - продуктивность обеспеченная почвенным показателем; p - весовые коэффициенты почвенных показателей (переменных); yij - продуктивность, рассчитанная для i-й переменной на j-м шаге дискретизации модели; vi - весовой коэффициент i-го шага дискретизации модели (фазы развития).

Проблема расчета значений исходных величин yij решена нами путем построения зависимости, график которой имеет сигмоидальную форму с одним максимумом и описывает поведение системы в соответствии с законом толерантности вида

,

где xij - значения i-й переменной на j-м шаге дискретизации модели; , k, /, y0 - параметры функции толерантности, получаемые эмпирическим путем. Остальные обозначения - в пояснениях к зависимости (3).

Значения переменных и параметров содержатся в базе данных. В случае отсутствия необходимых данных в базе, или в случае решения задачи прогнозирования урожайности, используются средние многолетние значения либо значения, получаемые из частных прогнозов (например, по методу скользящей средней). При восстановлении актинометрических данных и данных о сумме активных температур воздуха за вегетацию используем специально разработанные эмпирические зональные зависимости вида

,

где - сумма активных температур воздуха в западной Лесостепи Украины; - время в сутках, прошедшее от начала вегетации до расчетного момента.

Безусловно, вышеизложенные положения являются лишь «общим планом» достаточно громоздкой модели, разработанной, идентифицированной, верифицированной и используемой в условиях западной части гумидной зоны Украины. Заметим, что реаль-ный процесс моделирования урожайности является элементарным при наличии реализующей модель компьютерной программы, а также совмещенных с нею баз данных и баз знаний в рамках единой СППР. Программа работает в диалоговом режиме по алгоритму, приведенному на рисунке.

Верификация модели продуктивности, проведенная на зависимых и независимых данных по урожайности в производстве для сельскохозяйственных культур на осушаемых землях Лесостепи и Полесья Украины (табл. 1), подтверждает высокий уровень адекватности модели, а ее калибровка и испытания свидетельствуют о возможности решения широкого круга прикладных задач сельскохозяйственного и природоохранного назначения.

Таблица 1 Фактические и расчетные значения урожайности многолетних трав (улучшенные пастбища) на осушаемых землях Ровенской области Украины, т/га

В самом деле, имея значение (значения) такого важного и информативного критерия как продуктивность, рассчитанную по результатам реального периода вегетации или прогнозируемую, опытный пользователь и хозяйственник без особых затруднений может:

1. Оценивать общее состояние хозяйства, эффективность сельскохозяйственных и мелиоративных технологий, общую экономическую эффективность использования мелиорируемых земель за ретроспективу, агрохимическое и экологическое состояние почвенно-земельных ресурсов, эколого-мелиоративное состояние осушаемых земель и т.п. Так, для оценки эколого-мелиоративного состояния осушаемых земель в системе мониторинга, проводимого Госводхозом Украины, нами предложен показатель, рассчитываемый как отношение урожайности на корню (биологической урожайности) к потенциальной урожайности. Для его интерпретации разработана и используется следующая шкала (табл. 2).

2. Производить оптимизационное моделирование и моделирование «сценариев» с целью установления наилучшего сочетания почвенно-климатических факторов формирования максимального урожая, а также факторов экологического состояния мелиорируемых территорий.

Таблица 2 Критерии оценки эколого-мелиоративного состояния осушаемых земель в зависимости от значения относительного показателя состояния

- достижимая потенциальная урожайность сельскохозяйственной культуры, исправленная с учетом возможных неблагоприятных условий вегетации и зимовки (повреждений); ye - урожайность на корню (биологическая урожайность).

3. Обосновывать технологические и хозяйственно-экономические решения по улуч-шению сельскохозяйственного использования, определять нормы и дозы внесения мелиорантов и удобрений, проектировать сельскохозяйственные, агромелиоративные и мелиоративные мероприятия на осушаемых землях, производить бонитировку почвенного покрова.

4. Проектировать и планировать мероприятия по улучшению пространственной организации земельных ресурсов на уровне полей, севооборотов, хозяйств и других территориальных формирований.

5. Производить оперативную корректировку технологий выращивания сельскохо-зяйственных культур.

6. Определять экономические и экологические риски вследствие изменения клима-тических, почвенных, экономических и иных условий.

7. Разрабатывать оперативные и короткосрочные прогнозы формирования урожая и экологической обстановки на осушаемых землях.

8. Разрабатывать локальные и региональные проекты и программы природополь-зования и ведения природоохранной деятельности на осушаемых территориях.

Это только главные направления использования полученных результатов для целей сельского хозяйства, мелиораций и охраны окружающей среды. Что касается перспектив данной разработки, то вполне определенно можно утверждать, что будучи доработанной с учетом некоторых экологических законов и закономерностей, устранения неполноты информации и некоторых недостатков, математическая модель позволит оценивать уровень экологической устойчивости мелиорируемых земель и других природных и природно-техногенных систем [10].

Разработанные нами модели, методы и СППР, основывающиеся на применении специальных и мониторинговых исследований, дают возможность перейти на новый уровень управления мелиорируемыми территориальными системами в произвольных природно-географических условиях и при любой системе хозяйствования.

Библиографический список

1. Бусленко Н.П. Теория сложных систем [Текст] / Н.П. Бусленко, В.В. Калашников, И.Н. Коваленко - М.: Наука, 1978. 365 с.

2. Рекс Л.М. Системные исследования мелиоративных процессов и систем [Текст] / Л.М. Рекс - М.: Аслан, 1995. 192 с.

3. Галямин Е.П. Модель формирования урожая агробиоценоза и ее идентификация [Текст] / Е.П. Галямин, С.О. Сиптиц, Н.Н. Милютин // Моделирование продукционных процессов в агроэкосистемах: сб. науч. трудов. - М.: Наука, 1976. С. 36 - 63.

4. Полевой А.Н. Прикладное моделирование и прогнозирование продуктивности посевов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 313 с.

5. Полуэктов Р.А. Динамические модели агроэкосистемы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.

6. Baier W. Crop-weather models and their use in yield assessments // Intern. Rep. Agromet. - Canada Dep. Agric., 1975. N 29. Р.64.

7. Holliday R. Plant population and crop yield. - London: Nature, 1960. P.159-254.

8. Splinter W.E. Modelling of plant growth for yield prediction // Agric Met. 1974. v. 14, N Ѕ. P.243-245.

9. Федерер Г. Геометрическая теория меры. - М.: Наука, 1987. 757 с.

10. Мошинський В.С. Методи управління продуктивністю та екологічною стійкістю осушуваних земель. - Рівне: НУВГП, 2005. 340 с.

Аннотация

Приводятся результаты создания и применения метода управления осушаемыми землями при помощи компьютерной системы поддержки решений. В основе метода лежит имитационная математическая модель, позволяющая решать ряд задач сельского хозяйства и природопользования

Development and application results of decisions support computer method of drained lands management are given. A simulation mathematical model, allowing to solve the row of agricultural and environmental tasks, fixed in basis of suggested method

Размещено на Allbest.ru