Содержание к диссертации
ВВЕДЕННІ-: 4
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РИСОВЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ
ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВ В НИЗОВЬЯХ РЕКИ КУБАНЬ 13
1.1. РИСОВЫЙ КОМПЛЕКС II ОСОБЕННОСТИ РИСОВОДСТВА В КРАСНОДАРСКОМ КРАЕ 13
1.2. РАЗВИТИЕ РИСОВОДСТВА В НИЗОВЬЯХ Р. КУБАНЬ IS
1.3. ОСОБНІIIІОСТІI ВЛИЯНИЯ МЕЛ ГІОРАІВІН ЗЕМЕЛЬ НА СОСТОЯНИЕ РИСОВЫХ ПОЧВ 26
1.4. ОЦЕНКЛЛИТРОИОІ El ІН()ГОВОЗДЕЙСТВІ-ІЯ ПА ПОЧВЫ РИСОВОГО КОМПЛЕКСА 35
1.5. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ НА РОС 37
1.6 ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ 50
2. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ТЕОРИИ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ПО
ОХРАНЕ ЗЕМЕЛЬ И ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ РОС 53
2.1. ЗАДАЧА СИСТЕМНО-ИНФОРМАЦИОННОГО ОБОСНОВАНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НО ОХРАНЕ ЗЕМЕЛЬ РОС 53
2.2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОХРАНЫ ЗЕМЕЛЬ
2.2.1. Разработка системы комплексных показателей мелиоративной обстановки па РОС 59
2.2.2. Концепция и традиционные пути решения проблемы охраны земель (ІЗ
2.3. ВЫВОДЫ 70
3. СИСТЕМНО-КОГНИТИВНЫЙ АНАЛИЗ КАК МЕТОД РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ 71
3.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СИСТЕМНО-КОГНИТИВНОГО АНАЛИЗА 71
3.2 СИСТЕМНОЕ ОБОБЩЕІIIIE ФОРМУЛЫ ХАРТЛИ II ФОРМУЛЫ ХАРКЕВИЧА ДЛЯ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ 75
3.4. МАТРИЦА АБСОЛЮТНЫХ ЧАСТОТ И МАТРИЦА ІІНФОРМАТНВІЮСТЕЙ 82
3.5. ВЫВОДЫ 86
4. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПРОГНОЗА ПОВЕДЕНИЯ РИСОВОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ S7
4.2. ОЦЕНКА І ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ В СК-АІІАЛИЗЕ90
4.3. КОГНИТИВНАЯ СТРУКТУРИЗАЦИЯ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ 4.3.1. Задачи формализации 93
4.3.2. Конструирование классификационных шкал и градаций 97
4.3.3. Конструирование, описательных шкал и градаций 100
4.3.4. Подготовка обучающей выборки 1(14
4.4. ВЫВОДЫ 106
5. СИНТЕЗ II ИССЛЕДОВАНИЕ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ РИСОВОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 107
5.1. СИНТЕЗ II ОПТИМИЗАЦИЯ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ 107
5.2. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ СЕМАНТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ 110
5.3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ 114
5.4.1ІССЛЕДОВАІII IE СИСТЕМЫ
СИСТЕМЫ 118
5.4.1. Информационные портреты классов / М
5.4.2. Информационные портреты (//акторов 126
5.4.3. Функции влияния 132
5.5. СИСТЕМНО-КОГНИТИВНЫЙ АНАЛИЗ МОДЕЛИ 145
5.5.1. Класшерио-коисшрукшивиый анализ классов и факторов и семантические сети классов и факторов 145
5.5.2. Когнитивные диаграммы кіассов и факторов 151
5.5.3. 1/елакаи пые нейроны и интерпретируемые нейронные сети. Иейросешевая модель управления качеством рисовой ороситеїьной системы 154
5.5.4. Классические когнитивные карты 157
5.5.5. Обобщенные когнитивные карты 15$
5.6. ВЫВОДЫ 161
6. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЛИОРАТИВНОГО СОСТОЯНИЯ ЗЕМЕЛЬ РИСОВЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ 163
6.1.СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МЕЛИОРАТИВНО-ГИДРОХИМИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ 163
6.2. ЭКОЛОГО-МЕЛПОРЛТИВПЛЯ ОБСТАНОВКА РИСОВОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АО
"ЧЕРНОЕРКОВСКОЕ" 176
6.2.1. Мониторинг почвенно-мелиоративиого состояния земель иуроаия грунтовых сод /16
6.2.2. Результаты почвеиио-солевой съемки рисовой оросительной системы АО "Чериосрковское"... 1
6.3. ПОВЫиШНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ РИСОВОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 205
6.4. ВЫВОДЫ 214
7. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МЕЛИОРАТИВНЫМ СОСТОЯНИЕМ РИСОВОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 215
7.1. АЛГОРИТМ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РОС 215
7.2. МІ ІОГОКРИТЕРІ ІЛЛЬ! 1ЫЕ МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ПРИРОДООХРАННЫХ ЗАДАЧ 245
7.3. ВЫВОДЫ 252
8. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 253
8.1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЗДАНИЯ II ВНЕДРЕНИЯ АСУ РОС 253
Л /. / Общее выражение для годового экономического эффекта 253
8.1.2. Оценка разовых капитальных затрат на создание АСУ РОС. 254
8.1.3. Анализ периодических затрат на эксплуатацию АСУ РОС (производственная себестоимость управления) 255
8.1.А. Учет прямой прибыли за счет повышения урожайности риса 256
8.1.5 Учет предотвращенного экологического ущерба от антропогенного воздействия па водные и земельные ресурсы 257
8.1.6. Сводные экономические показатели прямой эффективности АСУ рисовой оросительной системы 262
8.2. ПРОГНОЗ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ 266
8.2.1. Исходные данные для расчета экономической эффективности 267
8.2.2. Общее выражение для годового экономического эффекта (тыс.руб) 268
8.2.3. Учет разовых капитальных затрат на создание АСУ РОС (приобретение
нематериальных активов, интеллектуальной собственности и Ноу-хау) (тыс.руб) 269
8.2.-1. Учет периодических затрат на эксплуатацию АСУ РОС (производственная себестоимость управления) (тыс.руб) 269
8.2.5 Учет прямой прибыли за счет повышения урожайности риса 270
8.2.6 Учет предотвращенного экологического ущерба от антропогенного воздействия на земельные и водные ресурсы 2
8.2.7. Сводные экономические показатели прямой эффективности АСУ РОС 271
8.2.8. Учет темпов инфляции в.модели оценки эффективности АСУ РОС 271
8.3. ВЫВОДЫ 276
РЕКОМЕНДАЦИИ 282
ЛИТЕРАТУРА 283
ПРИЛОЖЕНИЯ 304
Факторы и их градации 306
Введение к работе
Актуальность проблемы. Производство риса - одно из основных па-правлений сельского хозяйства на Кубани. Посевные площади под рис в Краснодарском крае составляют боле 100 тыс. га, так как почвеино-климатические условия края благоприятны для возделывания этой культуры и позволяют получать в производственных условиях при соответствующей технологии урожай от 7 до 10 т/га. Однако на сегодняшний день по статистическим данным урожайності) риса остается сравнительно не высокой - 3, 5 - 5,2 т/га [1].
Лимитирующими факторами роста урожайности риса являются мелиоративное состояние почв и дефицит пресной воды. В настоящее время в Краснодарском крае лишь 60, 1% площади рисовых оросительных систем находятся в хорошем состоянии, 19, 3% - в удовлетворительном, а 20, 6% - в неудовлетворительном состоянии по засолению почв и высокому уровню стояния грунтовых вод [205J.
Территория дельты реки Кубань, согласно эколого-ландшафтпому зонированию [216], но комплексной экологической оценке па сегодня является кризисной в степени от слабой до сильной с прогнозным ухудшением экологической обстановки и с повышенной вероятностью подтопления. Существующая система земледелия не стала отвечать принципам рационального природопользования и охраны природной среды.
Наиболее крупные массивы рисовых оросительных систем расположены в дельте реки Кубань. Особенности возделывания риса отличают эту культуру от других сельскохозяйственных растений. В результате затопления на рисовой оросительной системе (РОС) совершенно по-иному формируются почвенные процессы.
Почвы РОС являются наиболее сложным объектом мелиорации. Грунтовые воды под рисовым полем в межвегетационный период на значительной части площадей стоят недопустимо высоко. Возникает угроза поступления солей в почвенный горизонт. Вторичное засоление является следствием нарушс 5 ния технологии орошения, огромных (до 40%) потерь воды па инфильтрацию из магистральных и распределительных каналов. В итоге почвенный горизонт превращается в аккумулятор солей, выпадающих в осадок при испарении минерализованных вод.
Из-за низкой фильтрации почв рисовой оросительной системы происходит подтопление прилегающих территорий. Подтопление земель особенно опасно в низовьях реки Кубань (пойменные земли), где грунтовые воды сильно минерализованы.
Восстановление почвенного покрова требует десятилетий или столетий, а работы по рекультивации с помощью технических средств требуют очень больших затрат. Потому необходима разработка методов предсказания состояния почв на всех этапах землепользования. Важно разработать общую методологию, которая позволила бы наиболее полно предсказать состояние деградированных почв.
Нарушения экологического развития, снижение плодородия почв приходится возмещать огромными дополнительными материальными и трудовыми затратами. Угроза дальнейшего ухудшения экологических условий, загрязнение водных источников и продукции возрастают вследствие неупорядоченных работ по охране природной среды.
Площади посева риса за последние 15 лет снизились более чем в 2 раза, а потребление воды изменилось незначительно. Необходимость поддержания заданных горизонтов воды на рисовых системах зачастую вступает в противоречие с требованиями экономии оросительной воды. В условиях ухудшения технического состояния гидротехнических сооружений сбросных и оросительных каналов, плохого состояния водоучета это приводит к большим непроизводительным потерям.
Несмотря на принимаемые меры наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению экологической ситуации, что свидетельствует о принципиальной невозможности в рамках существующих подходов в природохозяйственпой деятельности не только изменить тенденцию развития ситуации, но и стабилизировать ее. Снижение уровня неопределенности, улучшение информационного обеспечения принимаемых решений -один из ключевых моментов управления РОС. Оно может быть достигнуто за счет повышения надежности и полноты данных мониторинга, проведения дополнительных исследований, направленных на изучение природных связей, развития системы стандартов качества природной среды. Управление развитием природопользованием пе может осуществляться изолированно, оно неразрывно связано с решением экологических и экономических проблем.
Каждая из оросительных систем неповторима но составу почвенного покрова, гидрогеологическим условиям, наличию естественного дренажа, качественному составу оросительной воды. Всё это оказывает существенное влияние па процесс почвообразования и эффективное плодородие земель и требует индивидуального подхода к их эксплуатации па основе глубокого изучения и совокупного учёта всех условий и факторов каждой оросительной системы. Только на такой основе могут быть запланированы действенные мероприятия, направленные на повышение продуктивности мелиорируемых земель.
Современная проблема охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов заключается в комплексном учете всех возможных последствий хозяйственной деятельности человека с последующим управлением средой. Поэтому первоочередная задача науки заключается в разработке падежных методов прогноза развития процессов с последующим переходом к управлению их динамикой.
Результаты изысканий при изучении природно-мслиоративной обстановки на рисовой оросительной системе (РОС) представляют собой огромный поток слабоунифицированпой информации. В одних случаях это приводит к сбору избыточных данных и непроизводительным затратам на их получение, в других случаях обнаруживается недостаточность данных. Оценка природно-мелиоратпвпых условий требует дальнейшего совершенствования. Наиболее эффективным путём в этом направлении является автоматизация сбора, храпения и обработки материалов на ЭВМ с использованием математических методов, с созданием баз данных, то есть современных средств информации.
В настоящее время необходимы реальные и конкретные действия по методологическому обновлению сельскохозяйственной науки, по внедрению методик, вбирающих в себя передовой опыт познания природных объектов с использованием математических методов в сочетании с компьютерной переработкой информации.
Информация в современных условиях перерастает в категорию важнейшего материального ресурса, открывающего потенциальные возможности для достижения поставленной цели. Наличие достоверной информации способствует повышению научной обоснованности прогнозов и комплексной оценки состояния окружающей среды, рациональному использованию природных ресурсов.
Поэтому необходимо научно - обоснованное комплексное управление рисовой оросительной системы, невозможное без достоверной своевременной и полной информации о состоянии объекта управления. Повышение качества информации о мелиоративном состоянии рисовой оросительной системы требует комплексного совершенствования системы контроля путем разработки методических материалов новых автоматизированных средств получения, обработки, хранения и передачи информации.
Предлагаемая в диссертации информационная модель основана па системно-когнитивном (СК) анализе больших объёмов данных о РОС и выявлении информативных показателей, позволяющих наиболее точно предсказывать интересующие исследователя свойства системы. В модели оценивается влияние каждого из факторов и их .комбинированное воздействие па основе внутрисистемных связей. Применение методов системного анализа при изучении сельскохозяйственного использования природных ресурсов обеспечивает комплексное рассмотрение технико-экономических и экологических аспектов природопользования. Наиболее актуальным сегодня в экологических исследованиях является не изучение отдельных частных характеристик процессов, а разработка концептуального подхода к анализу экологической проблемы. В связи с этим необходимо рассмотрение экологических вопросов в общей модели функционирования рисовой оросительной системы.
Поэтому научно-методическое обоснование качественно новой, комплексной, автоматизированной системы управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы является весьма актуальной и практически значимой задачей.
Таким образом, проблема, решаемая в работе, состоит в повышении урожайности и качества риса при сохранении и улучшении экологии путем создания адаптивной автоматизированной системы управления.
Исследование базируется на научных и практических результатах видных ученых в области рисоводства, охраны земель, автоматизации управления и системного анализа: С.Ф. Аверьянова, Е.Б. Величко, А.И. Голованова, Г.В. Добровольского, А.Д. Гумбарова, Е.В. Кузнецова, Е.В. Луценко, А.Ф. Новиковой, Д.С. Орлова, Е.И. Пайковой, Н.И. Парфеновой, Ф. И. Перегудова, В.А. Попова, Л.М Рекс, Н.М. Решеткиной, Ф.П. Тарасепко, Н.С. Тур, В.М. Шестакова, Б.Б. Шумакова и др.
Целью работы является улучшение экологии рисовых почв путем создания автоматизированной системы управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы.
Объектом исследовании является мелиоративное состояние рисовой оросительной системы.
Предметом - многофакторные, слабодетерминированные процессы рисовой оросительной системы.
Работа выполнена в рамках темы "Повышение плодородия деградированных почв и разработка земельно-охранных мероприятий, создание моделей управления устойчивого развития мелиоративных систем" (№ регистрации 01200113465, тема 9, раздел 9.3, подраздел 9.3.1) Методы исследовании. Научные исследования основывались па теоретических и экспериментальных методах, а также на информационной базе исходных данных. Теоретические методы: системный анализ, теория информации, теория принятия решений, теория распознавания образов, теория активных систем, теория рефлексивного управления, теория автоматизированных систем управления, математическая статистика, линейная алгебра.
Экспериментальные методы: численный эксперимент, измерения внутренней и внешней, дифференциальной и интегральной валидности предложенных моделей.
Информационную базу исследований составили: архивы ФГУ "Кубань-мелиоводхоз", филиала ФГУ "Петровско-Анастисиевская оросительная система", Кубанского гндро-мелиоративного государственного учреждения, ФГОУ ВПО "Кубанский государственный аграрный университет" (кафедры орошаемого земледелия).
Достоверность п обоснованность научных положений подтверждается большим объемом натурных испытаний и тем, что разработанная автором теория автоматизированного управления РОС имеет методологическую основу. Предложенная математическая модель и численный метод, реализованные в программном инструментарии, исследуются и верифицируются на адекватность. Применен апробированный математический аппарат. Постановка корректна, предложенные методы решения рассматриваемых задач обоснованы. Получены оправданные результаты, совпадающие с известными экспертам положениями.
Научная новизна
1. Разработана математическая модель мелиоративного состояния рисовой оросительной системы, относящаяся к классу семантических информационных моделей. Для синтеза и исследования данной модели впервые применен системно-когнитивный анализ, который обеспечивает комплексность почвенных и гидрогеологических исследований при больших размерностях, зашумленности и фрагментарности исходных эмпирических данных.
2. Обоснован подход к управлению мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием семантической информационной модели, который учитывает внутренние регулирующие механизмы природной среды, возможности ее адаптации к антропогенным воздействиям, направленность почвообразовательных процессов.
3. Предложено рассматривать рисовую оросительную систему как мпо-гофакторный слабодетермннированный активный объект управления с использованием подхода к автоматизации системного анализа, основанного не на его максимальной детализации, что традиционно, а на идее его рассмотрения как процесса познания.
4. Обоснована охрана земель в управлении мелиоративным состоянием РОС, включающая методики: 1) ранжирования факторов в порядке убывания силы их воздействия на объект управления; 2) поддержки принятия решений но выбору управляющих факторов па мелиоративное состояние РОС; 3) определения вероятности превышения контролируемых параметров над лимитирующими значениями для экологической безопасности почв.
5. Разработана модель АСУ мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы, позволяющая решать вопросы оптимального планирования режимов орошения в процессе эксплуатации системы, а также вопросы экономии поливной воды, повышения продуктивности и охраны рисовых почв от деградации.
6. Разработан алгоритм управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с включением системно-когнитивного анализа непосредственно в цикл управления, что позволяет учитывать различные варианты мпогофакторпых управляющих воздействий. Практическую значимость представляют:
- методология н технологии системно-когнитивного анализа для управления мелиоративным состоянием оросительной системы с целью получения максимальных урожаев риса наивысшего качества и с целью диагностики почв, чтобы на ранней стадии изменений предупреждать их загрязнение и деградацию;
- разработанные методики: I) ранжирования факторов воздействия на мелиоративное состояние рисовой оросительной системы в порядке убывания силы их влияния на объект управления; 2) поддержки принятия решений по выбору управляющих факторов на мелиоративное состояние РОС; 3) методика статистической оценки качественного состояния почв, позволяющей оценить степень соответствия почв нормативным условиям на различных участках;
- модель рисовоіі оросительной системы, составленная па основе системно-когнитивного анализа, обеспечивает выдачу пользователю информации о состоянии объекта управления, а также об условиях его функционирования;
- система управления на основе информации о значениях параметров, характеризующих РОС (тип почв, содержание гумуса, N, Р, К, водно-физические характеристики почв, технологии выращивания риса и культур севооборотов и др.), а также на основе знания режимов функционирования осуществляет управление мелиоративным состоянием РОС. Информационные портреты классов и факторов определяют, на какой элемент объекта нужно подавать управляющие воздействия, то есть определяют последовательность подачи управляющих воздействий;
- системный подход позволяет планировать технологические операции и принимать управленческие решения в условиях неопределенности и мпогорс-жимности;
- системно-когнитивный анализ, использование которого обеспечивает создание автоматизированных систем мониторинга, прогнозирования и управления состоянием миогофакторпых слабодетерминированных активных объектов. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Теория комплексного управления мелиоративными режимами на рисовой оросительной системе для повышения плодородия почв и увеличения урожайности риса с учетом предотвращения и ликвидации засоления и заболачивания земель.
2. Математическая модель рисовой оросительной системы, относящаяся к классу семантических информационных моделей.
3. Подход к управлению мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием семантической информационной модели, учитывающий внутренние регулирующие механизмы природной среды, возможности ее адаптации к антропогенным воздействиям, направленность почвообразовательных процессов в течение многолетнего периода.
4. Модель АСУ мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы, позволяющая решать вопросы оптимального планирования режимов орошения в процессе эксплуатации системы, а также вопросы экономии полив-пой воды, повышения продуктивности и охраны земель.
5. Новый подход к автоматизации системного анализа управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием сис-темно-когпитивиого анализа рефлексивных АСУ активными объектами.
6. Статистическая оценка мелиоративко-гидрохимической ситуации па рисовой оросительной системе.
Похожие диссертации на Охрана земель в управлении мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы
