Рационализация режима орошения картофеля
Сегодня практически никто не сомневается в том, что вода — это наиболее ценный ограниченный ресурс, хотя и возобновляемый. Уникальность воды еще и в том, что ее нельзя заменить каким-то другим ресурсом. Это обстоятельство наиболее важно для южных стран, имеющих ограниченные водные ресурсы.
Для Кыргызстана, не обладающего значительными природными богатствами, вопрос водной политики чрезвычайно важен, поскольку сложившаяся практика управления водными ресурсами в Центрально-Азиатском регионе не всегда отвечает его интересам.
Применение Международного водного права в Центрально-Азиатском регионе показывает его неэффективность и противоречивость в отношении трансграничных вод. К тому же оно (Международное водное право) не имеет международных правовых механизмов исполнения и мониторинга решений.
В Киргизии 85% территории занимают мощные горные хребты, где за счет таяния ледников и снега формируется сток свыше 30 тысяч водотоков разной величины. Общий сток пресных вод республики составляет около 50% всех пресноводных ресурсов Центральной Азии, а общий сток только поверхностных водных источников превышает 51 миллиард кубометров воды (свыше 51 км3). Из этого объема не более 20% использует сам Кыргызстан, а остальное потребляют соседние государства. Во многом этот сток идет на орошение. В странах Центральной Азии орошаются миллионы гектаров земли, в том числе в Кыргызстане — 1100 гектаров.
Часть водных ресурсов используется для выработки электроэнергии в Кыргызстане, которая подается в другие страны. Потенциальные энергетическое ресурсы рек оцениваются в 162 миллиарда киловатт в год. В целом, жизнедеятельность почти 22 миллионов людей Центральной Азии зависит от воды.
Водно-энергетический комплекс Центральной Азии, в частности Кыргызстана и Таджикистана, находится под пристальным вниманием практически всех прилегающих государств — от России до Индии и от Ирана до Китая. Это обусловливает необходимость достижения приемлемых компромиссов и необходимость участие инвесторов и импортеров электроэнергии.
Поиск компромиссов необходим в связи тем, что вступают в противоречия различные интересы, связанные с режимом использования воды в разных странах. Страны, находящиеся выше по течению рек и имеющие возможность энергетического использования стока, заинтересованы в накоплении стока летом и использовании его зимой для выработки электроэнергии. Страны находящиеся ниже по течению и находящиеся в равнинной части используют воду, в основном, для орошения, т.е. нуждаются в летних попусках, что невыгодно для энергетического комплекса.
Согласование этих противоречий требует хорошо отлаженной системы управления всем водохозяйственным комплексом. Создание системы управления водными ресурсами требует больших затрат.
В силу миллиардного масштаба инвестиционных проектов необходимо софинансирование проектов. Это может позволить снизить как экономические, гак и политические риски. Таким образом, участие различных стран, в первую очередь России и Китая, в развитии центрально азиатского водно-энергетического комплекса вполне естественно. Кроме того, активное вовлечение таких международных институтов, как Евразийский банк развития, Всемирный банк, АБР и ЕБРР, поможет привлечь достаточный объем инвестиций, обеспечит аналитическое сопровождение и техническую помощь, направленную на достижение сбалансированного использования водно-энергетических ресурсов.
К сожалению, поступающие финансовые ресурсы не всегда эффективно используются. Так, например, около 1.5 млрд. долларов были растрачены на юге-востоке Центральной Азии недостаточно эффективно из-за плохого менеджмента водных ресурсов.
Расширение орошаемых земель требует экономного расходования и в орошении и в других отраслях.
Поскольку почти 85% водных ресурсов Центральной Азии сосредоточено в Кыргызстане и Таджикистане, то именно эти страны, прежде всего, заинтересованы в оптимальном использовании водно-энергетического потенциала горных рек Вахша и Нурека, являющихся истоками Амударьи и Сырдарьи.
При этом ирригация для этих государств пока имеет подчиненное значение, поэтому вегетационный период (весна — лето) они используют для накопления водных ресурсов в водохранилищах (Нурекское и Куйбышевское в Таджикистане, Токтогульское в Кыргызстане). В осенне-зимнее время они активно вырабатывают электроэнергию и, соответственно, выпускают большие объемы воды. Напротив, для Казахстана, Узбекистана и Туркменистана приоритетным является вегетационный период, когда водные ресурсы направляются на ирригационные цели.
Такое несоответствие приводит к тому, что в зимние периоды из-за больших энергетических попусков из водохранилищ Кыргызстана и Таджикистана происходит затопление части территорий Казахстана и Узбекистана. В результате возникают серьезные экологические последствия и потери воды (выпуски из одного только Токтогульского водохранилища в среднем ежегодно составляют около 3 км3).
Во времена Советского Союза эти противоречия разрешались в рамках централизованной плановой экономики. После распада СССР и создания независимых государств, старый механизм регулирования водно-энергетического комплекса (ВЭК) потерял свою эффективность, а потому требуются новые решения.
Реализация концепции и решение проблем использования ВЭК (водно-энергетический комплекс) связаны с рядом масштабных технологических преобразований во всех отраслях совместно использующих водные ресурсы. В первую очередь это относится к таким водоемким отраслям как орошение. Никакие инвестиции и никакие структурные преобразования не дадут результатов без повсеместной экономии воды. Именно экономное использование вод, с одной стороны, снизит водоотведение, а, следовательно, и загрязнение вод водоприемников, а с другой даст возможность развития новых отраслей. Для орошения, в условиях широкого применения поверхностного способа полива, актуальным является уменьшение «холостых» сбросов, которые необходимы для поддержания определенного уровня равномерности полива. Кроме того, более актуальным становятся вопросы оптимизации режимов орошения. Оптимизация режима орошения, т.е. минимизация затрат воды на производство единицы продукции, позволяет не только экономить воду, но и предохраняет почву от деградации. Деградации почвенного покрова при «избыточном» орошении возникает не только в процессе «промывного режима» и вымыва питательных веществ из корнеобитаемого слоя, но и при «сбросе» оросительной воды в более глубокие слои и подъеме грунтовых вод.
Оптимизация режима орошения в республиках ЦАР может позволить в 1.52 раза снизить потребности воды на орошения при незначительном снижении урожая (на 15-20 %). Несомненно, что это потребует более четкого, научно-обоснованного режима орошения, базирующегося на моделировании процессов влагообмена в почве и моделировании продукционных процессов.
Таким образом, в научном плане актуальным представляется разработка системы математического моделирования водоподачи на орошение, системы, которая была бы достаточно простой в работе, но в тоже время адекватно описывающей природные процессы на орошаемом участке.
Разработке такой системы посвящена настоящая работа.
Цель работы: разработать рациональные режимы орошения картофеля для эффективного использования водных и земельных ресурсов на примере предгорной части котловины озера Иссык-Куль Республики Кыргызстан.
Исследования включали следующие задачи:
Предмет исследования: проверка применимости моделей влагообмена для оптимизации режима орошения и моделей оптимального распределения поливных норм с учетом фаз развития картофеля в данном регионе.
Методология основана на экспериментальных и теоретических исследованиях в области мелиорации сельскохозяйственных земель, растениеводства, климатологии, гидрогеологии, земледелия и почвоведения.
Теоретические и полевые исследования проводились с применением стандартных и специально разработанных методик, а достоверность полученных результатов оценивалась путем сравнения теоретических зависимостей с результатами полевых исследований, их статистической оценки.
Научная новизна работы:
Основные методические положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в г. Москве (МГУП-2006, 2007, 2008, 2009гг.). Материалы использовались при написании научно-технического отчета на тему «Эколого-экономическая оценка эффективности мелиорации земель сельскохозяйственного назначения», которая выполнялась научно-исследовательской частью МГУП по заказу МСХ РФ.
Вывод.
На основании данных водообмена полученных по модели А.И.Голованова при сред немноголетней оросительной норме 1800м3/га вымыв гумуса, происходит незначительно в пределах от 3 до 5% с гектара. В связи с поступлением органики из навоза (5 т/га год) темпы образования гумуса колеблется в пределах от 0.250.30 т/га в год. это происходит не только за счет ежегодного внесения органических удобрений, но и влияния (хотя и малых) свежих растительных остатков. Кроме того, накопление происходит в связи со слабым влиянием принятой оросительной нормы, которая оказывает незначительное влияние на процесс вымыва гумуса.
Процесс накопления гумуса по годам, показан на рис. 5.2.20. При таком режиме орошения и удобрений, возможно, не только получать высокий урожай, экономить воду, но и повысить плодородие почвы.
Вывод: сделанные расчеты показывают, что рассмотренная часть вычислительной системы рационализации режима орошения позволяет принимать научно обоснованные решения при эколого-экономическом обосновании комплексной мелиорации.
Оценка целесообразности оптимизации режима орошения.
Экономическая эффективность рационального использования водных и земельных ресурсов зависит от стоимости воды, органических и минеральных удобрений, издержек и стоимости продукции. При определенном соотношении этих параметров, по-видимому, можно получить оптимальную точку на кривой эффективности. Однако в большинстве случаев удается только наблюдать тенденцию приближения к оптимуму. В этой ситуации можно говорить о рациональном (разумном) режиме орошения.
Теоретические расчеты максимальный чистый л доход достигается при оросительной норме 2000 м /га, что соответствует данным рассматриваемого экспериментального участка. При больших величинах М чистый доход падает. Вместе с тем, сокращение оросительной нормы с 2000 м3/га до 1000 м3/га (в 2 раза) снизит чистый доход только на 2.5 тыс. руб /га (около 20%).
Найти более «выгодный» вариант можно проанализировав эффективность использования воды.
Расчет экономической эффективности запроектированных мероприятий (Программа для расчета предоставлена проф. Максимовым СЛ.)
Максимальная эффективность использования воды, т.е. наибольшая л прибыль на 1 м, приходится на малые оросительные нормы от 500 до 1000 м3/га. Это естественно, т.к. в этом диапазоне набольшие приросты урожаев на 1 м3 поданной воды. Наибольший прирост эффективности наблюдается при диапазоне М=1500 -2000 м3/га, однако по абсолютным величинам эффективность использования воды здесь приближается к нулю.
Расчеты показывают, что при существующем соотношении стоимостей экономические критерии не дают однозначного критерия необходимости экономии воды.
В рамках исследований проведена стыковка математических моделей различных авторов, позволившая создать единую вычислительную систему. Работоспособность этой системы моделей была опробована на примере достаточно сложного природного объекта и сложного вида антропогенной деятельности. Таким объектом был выбран район со сложными природными условиями — восточная часть Иссык-Кульской долины, а в качестве вида антропогенной деятельности — оптимальное распределение ограниченных водных ресурсов для орошения.
Полученные результаты исследований позволили получить некоторые новые знания и сделать ряд новых выводов.
Анализ изменения декадной относительной влажности воздуха на метеостанции Каракол (Ак-Суйского района Иссык-Кульской области Республики Кыргызстан) за период 1960 - 1990 г. Показывает, что:
Как известно для расчета режима орошения необходимо знать режим влажности почвы в естественных условиях (до орошения). Режим орошения можно рассчитать и по недостатку водопотребления, но в этом случае затрудняется расчет продуктивность, и как следствие, оценка эффективности орошения. Влажность почвы в богарных условиях может быть получена путем многолетних измерений на агрометеорологических постах (станциях), однако получение таких данных в настоящее время бывает затруднительно. Можно провести расчет режима влажности почвы, используя общедоступные метеорологические параметры — осадки, температуры воздуха, относительные влажности воздуха. Обычно такие расчеты проводятся с использованием уравнений математической физики — уравнений влагопереноса в системе атмосфера — растение - почва - грунт - грунтовые воды. Существенной трудностью использования таких моделей является то, что многие входящие параметры являются случайными величинами, поэтому требуют длительных рядов наблюдений.
Существуют различные модификации таких моделей, отличающиеся тем, что в них используются различное представление начальных и граничных условий. Авторы различных модификаций, в целях получения более адекватного результата моделирования, включают в исходные данные величины, которые не измеряются в гидрометеорологической сети. Это существенно затрудняет практическое использование таких моделей. По-видимому, необходим некоторый компромисс между достаточной точностью результатов моделирования и возможностью реализации модели. Таким компромиссом, на наш взгляд, является система моделей, разработанная, профессором Головановым А.И. Она широко известна и вошла, во многие монографии и учебники.
Система моделей, предложенная проф. Головановым АИ наряду с необходимой точностью, обладает неоспоримым преимуществом, которое заключается в том, что все входные параметры могут быть получены из архивов Росгидромета, а промежуточные модели, по которым рассчитывается испарение, влагообмен, продуктивность посева и др., достаточно просты и не требуют постановки специальных экспериментов для определения параметров.
Однако, для ускорения процедуры расчетов по любым моделям необходимо определенная генерализация (осреднение) входящих величин, например, для проведения расчетов для среднего года или года определенной обеспеченности (вероятности превышения). В этой ситуации необходимо знать «внутреннюю структуру» случайного процесса. Как известно фиксированный «срез» случайного процесса дает возможность работать со случайными величинами, однако это разрывает процесс и в результате такого «разрыва» возможна потеря существенной информации. Рассмотрению случайного процесса изменения всех входящих в модели величин и посвящена данная часть работы.
В качестве инструмента анализа использовались матрицы переходных вероятностей основных входящих величин — осадков, температур воздуха и относительной влажности воздуха.
Этот инструмент интересен еще и тем, что в матрице переходных вероятностей можно увидеть и свойства случайной величины, рассматривая условные распределения вероятностей, т.е. значения элементов матрицы по строкам.
Матрица переходных вероятностей строится на основании анализа случайного процесса - перехода случайной величины от одного дискретного момента к другому, например осадков, влажности воздух или температур из одной декады в другую. Матрица переходных вероятностей имеет и некоторые прогностические свойства, т.е. зная в каком численном диапазоне, находилась метеорологическая величина в предыдущую декаду, можно сказать с какой, вероятностью и в каком, диапазоне она будет находиться в последующую декаду.
Рассмотрим результаты такого анализа для каждой величины отдельно — атмосферных осадков, относительной влажности воздуха и температур воздуха на высоте 2-х метров. В этих матрицах по «краям» матрицы расположены градации (диапазоны) декадных осадков в мм (температур и влажности воздуха). В каждой ячейке матрицы показаны два числа — верхнее: п — количество случаев попадания осадков в данный диапазон; нижнее: V — частота (относительное число попаданий). Частота равна числу попаданий в ячейку, деленных на общую сумму случаев по строке матрицы N.
Матрицы атмосферных осадков.
Анализ матрицы переходных вероятностей осадков показал, что матрица имеет треугольную форму. Основные значения расположены в верхнем левом углу. Максимальные значения «прижаты» к левой грани матрицы.
Матрица сумм декадных атмосферных осадков в многолетнем разрезе (мм) с 1-ой декады января по III-ю декаду декабря месяца. (Метеостанция «Каракол» Иссык-Кульской области Республики Кыргызстан, 1960-1990 годы).
Для Кыргызстана, не обладающего значительными природными богатствами, вопрос водной политики чрезвычайно важен, поскольку сложившаяся практика управления водными ресурсами в Центрально-Азиатском регионе не всегда отвечает его интересам.
Применение Международного водного права в Центрально-Азиатском регионе показывает его неэффективность и противоречивость в отношении трансграничных вод. К тому же оно (Международное водное право) не имеет международных правовых механизмов исполнения и мониторинга решений.
В Киргизии 85% территории занимают мощные горные хребты, где за счет таяния ледников и снега формируется сток свыше 30 тысяч водотоков разной величины. Общий сток пресных вод республики составляет около 50% всех пресноводных ресурсов Центральной Азии, а общий сток только поверхностных водных источников превышает 51 миллиард кубометров воды (свыше 51 км3). Из этого объема не более 20% использует сам Кыргызстан, а остальное потребляют соседние государства. Во многом этот сток идет на орошение. В странах Центральной Азии орошаются миллионы гектаров земли, в том числе в Кыргызстане — 1100 гектаров.
Часть водных ресурсов используется для выработки электроэнергии в Кыргызстане, которая подается в другие страны. Потенциальные энергетическое ресурсы рек оцениваются в 162 миллиарда киловатт в год. В целом, жизнедеятельность почти 22 миллионов людей Центральной Азии зависит от воды.
Водно-энергетический комплекс Центральной Азии, в частности Кыргызстана и Таджикистана, находится под пристальным вниманием практически всех прилегающих государств — от России до Индии и от Ирана до Китая. Это обусловливает необходимость достижения приемлемых компромиссов и необходимость участие инвесторов и импортеров электроэнергии.
Поиск компромиссов необходим в связи тем, что вступают в противоречия различные интересы, связанные с режимом использования воды в разных странах. Страны, находящиеся выше по течению рек и имеющие возможность энергетического использования стока, заинтересованы в накоплении стока летом и использовании его зимой для выработки электроэнергии. Страны находящиеся ниже по течению и находящиеся в равнинной части используют воду, в основном, для орошения, т.е. нуждаются в летних попусках, что невыгодно для энергетического комплекса.
Согласование этих противоречий требует хорошо отлаженной системы управления всем водохозяйственным комплексом. Создание системы управления водными ресурсами требует больших затрат.
В силу миллиардного масштаба инвестиционных проектов необходимо софинансирование проектов. Это может позволить снизить как экономические, гак и политические риски. Таким образом, участие различных стран, в первую очередь России и Китая, в развитии центрально азиатского водно-энергетического комплекса вполне естественно. Кроме того, активное вовлечение таких международных институтов, как Евразийский банк развития, Всемирный банк, АБР и ЕБРР, поможет привлечь достаточный объем инвестиций, обеспечит аналитическое сопровождение и техническую помощь, направленную на достижение сбалансированного использования водно-энергетических ресурсов.
К сожалению, поступающие финансовые ресурсы не всегда эффективно используются. Так, например, около 1.5 млрд. долларов были растрачены на юге-востоке Центральной Азии недостаточно эффективно из-за плохого менеджмента водных ресурсов.
Расширение орошаемых земель требует экономного расходования и в орошении и в других отраслях.
Поскольку почти 85% водных ресурсов Центральной Азии сосредоточено в Кыргызстане и Таджикистане, то именно эти страны, прежде всего, заинтересованы в оптимальном использовании водно-энергетического потенциала горных рек Вахша и Нурека, являющихся истоками Амударьи и Сырдарьи.
При этом ирригация для этих государств пока имеет подчиненное значение, поэтому вегетационный период (весна — лето) они используют для накопления водных ресурсов в водохранилищах (Нурекское и Куйбышевское в Таджикистане, Токтогульское в Кыргызстане). В осенне-зимнее время они активно вырабатывают электроэнергию и, соответственно, выпускают большие объемы воды. Напротив, для Казахстана, Узбекистана и Туркменистана приоритетным является вегетационный период, когда водные ресурсы направляются на ирригационные цели.
Такое несоответствие приводит к тому, что в зимние периоды из-за больших энергетических попусков из водохранилищ Кыргызстана и Таджикистана происходит затопление части территорий Казахстана и Узбекистана. В результате возникают серьезные экологические последствия и потери воды (выпуски из одного только Токтогульского водохранилища в среднем ежегодно составляют около 3 км3).
Во времена Советского Союза эти противоречия разрешались в рамках централизованной плановой экономики. После распада СССР и создания независимых государств, старый механизм регулирования водно-энергетического комплекса (ВЭК) потерял свою эффективность, а потому требуются новые решения.
Реализация концепции и решение проблем использования ВЭК (водно-энергетический комплекс) связаны с рядом масштабных технологических преобразований во всех отраслях совместно использующих водные ресурсы. В первую очередь это относится к таким водоемким отраслям как орошение. Никакие инвестиции и никакие структурные преобразования не дадут результатов без повсеместной экономии воды. Именно экономное использование вод, с одной стороны, снизит водоотведение, а, следовательно, и загрязнение вод водоприемников, а с другой даст возможность развития новых отраслей. Для орошения, в условиях широкого применения поверхностного способа полива, актуальным является уменьшение «холостых» сбросов, которые необходимы для поддержания определенного уровня равномерности полива. Кроме того, более актуальным становятся вопросы оптимизации режимов орошения. Оптимизация режима орошения, т.е. минимизация затрат воды на производство единицы продукции, позволяет не только экономить воду, но и предохраняет почву от деградации. Деградации почвенного покрова при «избыточном» орошении возникает не только в процессе «промывного режима» и вымыва питательных веществ из корнеобитаемого слоя, но и при «сбросе» оросительной воды в более глубокие слои и подъеме грунтовых вод.
Оптимизация режима орошения в республиках ЦАР может позволить в 1.52 раза снизить потребности воды на орошения при незначительном снижении урожая (на 15-20 %). Несомненно, что это потребует более четкого, научно-обоснованного режима орошения, базирующегося на моделировании процессов влагообмена в почве и моделировании продукционных процессов.
Таким образом, в научном плане актуальным представляется разработка системы математического моделирования водоподачи на орошение, системы, которая была бы достаточно простой в работе, но в тоже время адекватно описывающей природные процессы на орошаемом участке.
Разработке такой системы посвящена настоящая работа.
Цель работы: разработать рациональные режимы орошения картофеля для эффективного использования водных и земельных ресурсов на примере предгорной части котловины озера Иссык-Куль Республики Кыргызстан.
Исследования включали следующие задачи:
- выбор и оценка системы математических моделей для рационализации режима орошения;
- статистический анализ входных параметров моделей;
- проверка моделей на полевых материалах опытно-производственного участка в Джеты-Огузском районе (село Джеты — Огуз, крестьянское хозяйство Узун-Калпак);
- экспериментальные исследования режимов орошения картофеля;
- уточнение параметров моделей рационализация режима орошения картофеля на примере предгорной части котловины озера Иссык-Куль Республики Кыргызстан;
- оптимизация режима поливов с учетом баланса гумуса;
- оценка эффективности использования водных ресурсов.
Предмет исследования: проверка применимости моделей влагообмена для оптимизации режима орошения и моделей оптимального распределения поливных норм с учетом фаз развития картофеля в данном регионе.
Методология основана на экспериментальных и теоретических исследованиях в области мелиорации сельскохозяйственных земель, растениеводства, климатологии, гидрогеологии, земледелия и почвоведения.
Теоретические и полевые исследования проводились с применением стандартных и специально разработанных методик, а достоверность полученных результатов оценивалась путем сравнения теоретических зависимостей с результатами полевых исследований, их статистической оценки.
Научная новизна работы:
- обоснован выбор системы математических моделей орошения и уточнены их параметры;
- проведена стыковка двух вычислительных систем: моделей влагообмена и моделей оптимального распределения водных ресурсов при орошении, выявлено влияние изменения параметров моделей на результаты моделирования;
- при подготовке данных для математического моделирования предложено использовать детальные статистические методы, в том числе аппарат матриц переходных вероятностей для анализа метеорологических процессов. Такой подход дает возможность получить новое знание о природных процессах и позволяет избежать неправильной интерпретации данных;
- выявлены факторы, определяющие оптимальный водный режим картофеля: параметры моделей, оросительные нормы, их внутривегетационные распределение, предполивные влажности.
- результаты полевых исследований и их сопоставление с теорией.
- закономерности изменения параметров среды в течение года и процедура выбора периодов с нормальным законом распределения вероятностей;
- параметры моделей рационализации режима орошения;
- результаты моделирования процессов влагообмена и оптимального водораспределения оросительной нормы по декадам вегетации.
- принимать научно-обоснованные решения при оценке рациональности и продуктивности орошения;
- получать устойчивые урожаи на орошаемых землях при экономии ресурсов поливных вод;
- экономить оросительную воду фермерами Иссык-Кульской области; получить инструмент, позволяющий рационально планировать водораспределение от головного распределительного узла.
- в использовании длительных (более 30 лет) периодов наблюдений за погодными условиями по метеостанции г. Каракол и их статистическом анализе.
- в современном (гидродинамическом) подходе исследования процессов влагообмена в почве.
- результаты исследований прошли практическую проверку в хозяйстве Узун-Калпак, село Джеты-Огуз, Джеты-Огузского района, а теоретические исследования подтверждаются экспериментальными данными.
Основные методические положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях в г. Москве (МГУП-2006, 2007, 2008, 2009гг.). Материалы использовались при написании научно-технического отчета на тему «Эколого-экономическая оценка эффективности мелиорации земель сельскохозяйственного назначения», которая выполнялась научно-исследовательской частью МГУП по заказу МСХ РФ.
Вывод.
На основании данных водообмена полученных по модели А.И.Голованова при сред немноголетней оросительной норме 1800м3/га вымыв гумуса, происходит незначительно в пределах от 3 до 5% с гектара. В связи с поступлением органики из навоза (5 т/га год) темпы образования гумуса колеблется в пределах от 0.250.30 т/га в год. это происходит не только за счет ежегодного внесения органических удобрений, но и влияния (хотя и малых) свежих растительных остатков. Кроме того, накопление происходит в связи со слабым влиянием принятой оросительной нормы, которая оказывает незначительное влияние на процесс вымыва гумуса.
Процесс накопления гумуса по годам, показан на рис. 5.2.20. При таком режиме орошения и удобрений, возможно, не только получать высокий урожай, экономить воду, но и повысить плодородие почвы.
Вывод: сделанные расчеты показывают, что рассмотренная часть вычислительной системы рационализации режима орошения позволяет принимать научно обоснованные решения при эколого-экономическом обосновании комплексной мелиорации.
Оценка целесообразности оптимизации режима орошения.
Экономическая эффективность рационального использования водных и земельных ресурсов зависит от стоимости воды, органических и минеральных удобрений, издержек и стоимости продукции. При определенном соотношении этих параметров, по-видимому, можно получить оптимальную точку на кривой эффективности. Однако в большинстве случаев удается только наблюдать тенденцию приближения к оптимуму. В этой ситуации можно говорить о рациональном (разумном) режиме орошения.
Теоретические расчеты максимальный чистый л доход достигается при оросительной норме 2000 м /га, что соответствует данным рассматриваемого экспериментального участка. При больших величинах М чистый доход падает. Вместе с тем, сокращение оросительной нормы с 2000 м3/га до 1000 м3/га (в 2 раза) снизит чистый доход только на 2.5 тыс. руб /га (около 20%).
Найти более «выгодный» вариант можно проанализировав эффективность использования воды.
Расчет экономической эффективности запроектированных мероприятий (Программа для расчета предоставлена проф. Максимовым СЛ.)
Максимальная эффективность использования воды, т.е. наибольшая л прибыль на 1 м, приходится на малые оросительные нормы от 500 до 1000 м3/га. Это естественно, т.к. в этом диапазоне набольшие приросты урожаев на 1 м3 поданной воды. Наибольший прирост эффективности наблюдается при диапазоне М=1500 -2000 м3/га, однако по абсолютным величинам эффективность использования воды здесь приближается к нулю.
Расчеты показывают, что при существующем соотношении стоимостей экономические критерии не дают однозначного критерия необходимости экономии воды.
В рамках исследований проведена стыковка математических моделей различных авторов, позволившая создать единую вычислительную систему. Работоспособность этой системы моделей была опробована на примере достаточно сложного природного объекта и сложного вида антропогенной деятельности. Таким объектом был выбран район со сложными природными условиями — восточная часть Иссык-Кульской долины, а в качестве вида антропогенной деятельности — оптимальное распределение ограниченных водных ресурсов для орошения.
Полученные результаты исследований позволили получить некоторые новые знания и сделать ряд новых выводов.
- Практически все входные величины, используемые при моделировании (осадки, температуры воздуха, влажности воздуха), могут быть описаны нормальным законом распределении вероятностей. Это существенно облегчает расчеты и повышает достоверность полученных результатов.
- В результате исследований была разработана методика оценки достаточной продолжительности наблюдений за основными входными величинами. Было установлено, что для всех параметров достаточно 30-и летнего ряда, а для температуры и влажности воздуха ряды наблюдений могут быть еще короче. Этот вывод актуален в связи с высокой стоимостью получения исходных данных.
- Группы моделей, характеризующие взаимодействие биологических объектов с внешней средой, показали достаточную гибкость и могут быть использованы не только для сельскохозяйственных культур, но и для диких и декоративных растений, что важно при мелиорации земель различного назначения, например природоохранных.
- Модели, описывающие влагообмен в системе атмосфера — растение — почва чувствительны к изменениям показателей влагопроводности. Исследования дали возможность наметить методику обоснованного выбора этих показателей.
- Одной из основных выходных характеристик блока моделей характеризующих влагообмен являются влагозапасы в почве, которые однозначно связаны с продуктивностью биотического сообщества и, следовательно, являются основой для экономической оценки деятельности. Проведенные исследования показали, что многолетние влагозапасы в каждую декаду вегетации подчиняются нормальному закону распределения вероятностей. Это дает возможность использовать для их анализа математический аппарат, разработанный для такого класса случайных величин, что существенно сокращает необходимую длительность ряда при соблюдении достаточной точности. В результате исследований показана квазидиагональность матриц переходных вероятностей влагозапасов почвы (влажность в предыдущую декаду с большой вероятностью остается в том же значении), что дает возможность построить процедуру прогноза влагозапасов, которую можно использовать для оперативного управления поливами.
- Другой основной выходной характеристикой являются величины влагообмена между зоной аэрации и более глубокими слоями грунтов. Эта величина дает возможность характеризовать изменения плодородия (изменение количества гумуса) в процессе поливов и корректировать оросительные нормы для поддержания плодородия на высоком уровне.
- В процессе исследований были получены новые или подтверждены ранее полученные закономерности, связывающие основные параметры процесса управления. Так, были получены следующие зависимости: зависимость продуктивности от оросительной нормы; зависимость водообмена от оросительной нормы; зависимость оросительной нормы от нижнего предела влажности почвы при орошении; зависимость продуктивности от нижнего предела влажности; зависимость продуктивности от водообмена и ряд других. Все это позволяет связать экологические показатели с экономическими и сделать процесс эколого-экономического обоснования научно обоснованным. В результате исследований удалось настроить вычислительную систему, позволяющую не только проводить эколого-экономическую оценку мелиоративной деятельности, но и рассчитать возможность существенной экономии водные ресурсы при орошении. При правильном управлении сокращение оросительных норм в 1.5-2 раза приводит к снижению продуктивности не более чем на 15-20%). В процессе многовариантного моделирования было установлено, что при существующих ценах на воду сельхозпроизводителю экономически «невыгодно» рациональное использование ресурсов воды и земли.
- Сказанное выше позволяет полагать, что — исследованная вычислительно-моделирующая система позволяет научно обоснованно осуществлять эколого-экономическое обоснование орошения на уровне поля и разрабатывать оптимальную систему орошения, позволяющую не только экономить водные ресурсы, но и сохранять плодородие.
- Автор считает целесообразным продолжить данную работу для построения системы с более современным интерфейсом, что позволило бы использовать ее в качестве проектного и прогностического инструмента не только в проектных и инжиниринговых организациях, но и непосредственно у производителя - фермера или организации планирующей распределение оросительной воды.
Анализ изменения декадной относительной влажности воздуха на метеостанции Каракол (Ак-Суйского района Иссык-Кульской области Республики Кыргызстан) за период 1960 - 1990 г. Показывает, что:
- режим влажности воздуха достаточно благоприятен для картофеля, т.к. влажность воздуха с апреля по октябрь примерно равна 42%, а оптимальная влажность в период клубнеобразования колеблется в пределах от 39-45%;
- годовой период характеризуется небольшими величинами коэффициентов вариации от 10 до 20%, а период вегетации, апрель -октябрь, еще меньшими, от 8 до 19%;
- в период апрель-октябрь значения коэффициентов асимметрии малы, они в основном, не выходят за пределы диапазона ±0.3;
- в течение года коэффициент асимметрии колеблется около нулевой величины с амплитудой ±1.25
- коэффициенты эксцесса тоже малы по абсолютной величине и колеблются около нуля с амплитудой ± 1;
- сделанные расчеты, дают возможность предположить, что распределение относительной влажности воздуха достаточно близко к нормальному распределения вероятностей, по крайней мере, в вегетационный период.
Как известно для расчета режима орошения необходимо знать режим влажности почвы в естественных условиях (до орошения). Режим орошения можно рассчитать и по недостатку водопотребления, но в этом случае затрудняется расчет продуктивность, и как следствие, оценка эффективности орошения. Влажность почвы в богарных условиях может быть получена путем многолетних измерений на агрометеорологических постах (станциях), однако получение таких данных в настоящее время бывает затруднительно. Можно провести расчет режима влажности почвы, используя общедоступные метеорологические параметры — осадки, температуры воздуха, относительные влажности воздуха. Обычно такие расчеты проводятся с использованием уравнений математической физики — уравнений влагопереноса в системе атмосфера — растение - почва - грунт - грунтовые воды. Существенной трудностью использования таких моделей является то, что многие входящие параметры являются случайными величинами, поэтому требуют длительных рядов наблюдений.
Существуют различные модификации таких моделей, отличающиеся тем, что в них используются различное представление начальных и граничных условий. Авторы различных модификаций, в целях получения более адекватного результата моделирования, включают в исходные данные величины, которые не измеряются в гидрометеорологической сети. Это существенно затрудняет практическое использование таких моделей. По-видимому, необходим некоторый компромисс между достаточной точностью результатов моделирования и возможностью реализации модели. Таким компромиссом, на наш взгляд, является система моделей, разработанная, профессором Головановым А.И. Она широко известна и вошла, во многие монографии и учебники.
Система моделей, предложенная проф. Головановым АИ наряду с необходимой точностью, обладает неоспоримым преимуществом, которое заключается в том, что все входные параметры могут быть получены из архивов Росгидромета, а промежуточные модели, по которым рассчитывается испарение, влагообмен, продуктивность посева и др., достаточно просты и не требуют постановки специальных экспериментов для определения параметров.
Однако, для ускорения процедуры расчетов по любым моделям необходимо определенная генерализация (осреднение) входящих величин, например, для проведения расчетов для среднего года или года определенной обеспеченности (вероятности превышения). В этой ситуации необходимо знать «внутреннюю структуру» случайного процесса. Как известно фиксированный «срез» случайного процесса дает возможность работать со случайными величинами, однако это разрывает процесс и в результате такого «разрыва» возможна потеря существенной информации. Рассмотрению случайного процесса изменения всех входящих в модели величин и посвящена данная часть работы.
В качестве инструмента анализа использовались матрицы переходных вероятностей основных входящих величин — осадков, температур воздуха и относительной влажности воздуха.
Этот инструмент интересен еще и тем, что в матрице переходных вероятностей можно увидеть и свойства случайной величины, рассматривая условные распределения вероятностей, т.е. значения элементов матрицы по строкам.
Матрица переходных вероятностей строится на основании анализа случайного процесса - перехода случайной величины от одного дискретного момента к другому, например осадков, влажности воздух или температур из одной декады в другую. Матрица переходных вероятностей имеет и некоторые прогностические свойства, т.е. зная в каком численном диапазоне, находилась метеорологическая величина в предыдущую декаду, можно сказать с какой, вероятностью и в каком, диапазоне она будет находиться в последующую декаду.
Рассмотрим результаты такого анализа для каждой величины отдельно — атмосферных осадков, относительной влажности воздуха и температур воздуха на высоте 2-х метров. В этих матрицах по «краям» матрицы расположены градации (диапазоны) декадных осадков в мм (температур и влажности воздуха). В каждой ячейке матрицы показаны два числа — верхнее: п — количество случаев попадания осадков в данный диапазон; нижнее: V — частота (относительное число попаданий). Частота равна числу попаданий в ячейку, деленных на общую сумму случаев по строке матрицы N.
Матрицы атмосферных осадков.
Анализ матрицы переходных вероятностей осадков показал, что матрица имеет треугольную форму. Основные значения расположены в верхнем левом углу. Максимальные значения «прижаты» к левой грани матрицы.
Матрица сумм декадных атмосферных осадков в многолетнем разрезе (мм) с 1-ой декады января по III-ю декаду декабря месяца. (Метеостанция «Каракол» Иссык-Кульской области Республики Кыргызстан, 1960-1990 годы).
