Введение к работе
Актуальность работы. Рациональное использование воды во многом способствует обеспечению экономической эффективности агропромышленного производства, в том числе орошаемого земледелия, и экологической устойчивости природной среды. В современных условиях управление поливами должно быть направлено наряду с получением максимально возможной отдачи от орошения, на экономное использование ресурсов, уменьшение отрицательных воздействий на плодородие почвы и природную среду. Управление системой орошения требует сбора и обработки больших объемов информации, что существенно упрощается при использовании математических моделей, адекватно описывающих происходящие на поле процессы, и реализации моделей на ЭВМ.
Технологии информационного обеспечения процесса принятия решений обеспечивают сбор исходных данных, обработку, анализ, расчет показателей и выдачу полученных на основе моделирования результатов для обоснования эффективного варианта режима орошения. Несоответствие моделей процессам, протекающим на орошаемых полях, приводит к потере всех преимуществ управления орошением с использованием ЭВМ, снижению экономической эффективности, непродуктивному использованию оросительной воды и развитию экологически неблагоприятных процессов.
Таким образом, для повышения эффективности орошения необходима разработка технологии информационного обеспечения планирования поливов сельскохозяйственных культур, позволяющей учитывать: пространственно-временную изменчивость гидрометеорологических факторов и влажности почвы; влияние нелинейного характера процессов взаимодействия внешних и внутренних факторов, формирующих продуктивность агробиоценозов; дифференциацию параметров и констант, входящих в расчётные зависимости для определения режимов орошения в конкретных почвенно-климатических условиях на основе проведения комплексных агрометеорологических и водно-балансовых исследований, компьютерного моделирования.
Цель исследований – совершенствование методов планирования режимов орошения на основе повышения точности прогноза динамики агрометеорологических условий и водного режима почв при использовании компьютерного моделирования.
Задачи исследований:
провести анализ технологии планирования и оперативного управления поливами сельскохозяйственных культур и использования информационных технологий для управления продукционным процессом в агробиоценозах;
выполнить прогноз изменения метеорологических параметров при использовании моделирования их внутригодового и среднемноголетнего распределения и оценку изменчивости в многолетнем периоде;
усовершенствовать модель планирования поливов за счет повышения качества информационно-методического обеспечения и осуществить ее адаптацию к условиям лесостепной зоны; создать надежную и достоверную базу исходных данных для функционирования модели на примере природно-хозяйственных условий юго-востока Московской области;
усовершенствовать методику оперативного планирования поливов при изменении гидрометеорологических условий на основе экспериментальных исследований комплексного влияния режимов орошения и внесения удобрения на урожайность овощных культур;
разработать методику прогнозирования урожайности овощных культур на основе моделирования изменчивости гидрометеорологических условий на примере природно-хозяйственных условий юго-востока Московской области при возделывании моркови;
провести комплексную оценку экономической эффективности планирования режимов орошения и внесения удобрений.
Объект исследований – информационные технологии планирования поливов и параметры режимов орошения сельскохозяйственных культур.
Методика исследований. Методической основой исследований является системный анализ, методы математической статистики и условной логики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепринятыми методиками выполнения метеорологических, водно-балансовых, агрономических и почвенных опытов. Аналитическая обработка данных выполнена с применением методов корреляционного, регрессионного, дисперсионного анализа. Применены компьютерные программы «Raduga Irrigation» и «ROCK.xls».
Личный вклад автора состоит в определении цели, задач и постановке исследований; в выполнении анализа теоретических положений и формировании рабочей гипотезы; в усовершенствовании методики прогноза гидрометеорологических условий и разработке алгоритма расчета параметров режимов орошения, в организации и проведении полевых экспериментов, в обработке полученных данных, получении инженерных решений, на основе которых разработана информационная технология.
Научная новизна исследований состоит в том, что:
установлены закономерности изменения гидрометеорологических параметров орошаемых территорий юго-востока Московской области (температуры и относительной влажности воздуха, осадков, коэффициента природного увлажнения), обеспечивающие повышение точности существующих методов планирования поливов сельскохозяйственных культур;
разработаны алгоритм, модель и компьютерная программа для учета изменчивости гидрометеорологических параметров при планировании проектных режимов орошения сельскохозяйственных культур;
усовершенствованны алгоритм, модель и программа для оперативного планирования поливов овощных культур для различных почвенно-климатических условий Московской области, позволяющие повысить качество принимаемых решений за счет многовариантности расчетов и оптимизации решений на этой основе;
установлена закономерность, характеризующая влияние режимов орошения и доз внесения удобрений на суммарное водопотребление и урожайность посевов моркови в годы различной тепло-, влагообеспеченности, которая обеспечивает возможность планирования урожайности овощных культур в зависимости от наличия природных (вода) и материальных (удобрения) ресурсов;
предложена усовершенствованная методика расчета параметров проектных и эксплуатационных режимов орошения и удобрения овощных культур, учитывающая влияние изменчивости гидрометеорологических условий.
Основные положения, выносимые на защиту:
эмпирическая зависимость изменения гидрометеорологических параметров орошаемых территорий юго-востока Московской области, характеризующая их цикличность, обеспечивающая повышение точности расчетов проектных поливных норм овощных культур;
алгоритмы, процедуры и модели компьютерной технологии планирования режимов орошения для учета изменчивости гидрометеорологических параметров при определении проектных режимов орошения овощных культур;
алгоритмы, процедуры и модель для оперативного планирования поливов овощных культур, обеспечивающие многовариантность расчетов поливных норм при использовании информационной технологии обоснования орошения овощных культур в режиме реального времени;
эмпирическая зависимость урожайности моркови от режимов орошения и доз внесения минеральных удобрений в годы различной тепло- влагообеспеченности, позволяющая планировать урожайность при различной обеспеченности природными и материальными ресурсами.
Практическая значимость работы заключается:
в разработке информационной технологии планирования режимов орошения, позволяющей пользователю, не владеющему специальной компьютерной подготовкой, планировать проектные и оперативные режимы орошения с учетом пространственно-временной изменчивости почвенно-климатических условий, что обеспечивает повышение эффективности использования водных и энергетических ресурсов на 20-40% , а урожайности сельскохозяйственных культур на 20-30%;
в подготовке и совершенствовании методик планирования проектных и эксплуатационных режимов орошения сельскохозяйственных культур с учетом среднемноголетней и фактической (в расчетный период) изменчивости гидрометеорологических параметров территории, биоклиматических коэффициентов водопотребления сельскохозяйственных культур;
в разработке структуры и наполнении базы данных информационной технологии планирования режимов орошения сельскохозяйственных культур для условий юго-востока Московской области.
Информационная технология планирования режимов орошения внедрена в ЗАО «Озеры» Озерского р-на Московской области на орошаемом участке Окской поймы площадью 56 га. Экономический эффект от внедрения технологии – 21310 руб./га, экономия водных и энергетических ресурсов составила в среднем до 20%.
Достоверность результатов исследований подтверждается использованием фундаментальных положений мелиоративной науки, статистической обработкой экспериментальных данных, полученных в процессе проведения информационно-аналитических и полевых исследований, апробацией технологии в опытно-производственных условиях.
Апробация работы и реализация результатов исследований. Основные разделы диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях, проводимых ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии, ФГОУ ВПО МГУП (г. Москва, 2008 год), ФГОУ ВПО “НГМА”( 2008г.) и ФГУ «РосНИИПМ» (г. Новочеркасск, 2006г.), ФГНУ ВНИИ “Радуга” (г. Коломна, 2007-2009 г.г.), были представлены на 10-ой Российской агропромышленной выставке “Золотая осень” (2008г.), где получена золотая медаль за разработку «Научно-методических основ применения информационных технологий для оптимизации водного и пищевого режима почв при выращивании кормовых и овощных культур в условиях Белгородской области”.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе одна – в журнале, рекомендованном ВАК России, получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2009610137 «Расчет динамики агроклиматических ресурсов и их регулирование» (2009г.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и предложений для производства. Общий объем работы составляет 157 страниц текста компьютерного набора, содержит 38 рисунков, 29 таблиц, 5 приложений, список литературы включает 222 источника, в том числе 14 на иностранном языке.
