Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема накопления отходов в мире и их влияние на окружающую среду .
1.1. Формирование и особенности состава различных видов отходов и их влияние на окружающую среду. 9
1.2. Опыт использования органических отходов в сельском хозяйстве. 23
1.3. Требования к качеству отходов, используемых для повышения плодородия сельскохозяйственных земель . 66
1.4. Концептуальная модель использования органических отходов в сельском хозяйстве (рабочая гипотеза). 78
Глава 2. Теоретическое обоснование возможности использования органических отходов в сельском хозяйстве для восстановления плодородия деградированных земель и малогумусных почв .
2.1. Оценка влияния органических отходов на плодородие почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур. 81
2.2. Выявление закономерностей влияния содержания тяжелых металлов в органических отходах на микробиологическую активность почвы . 87
2.3. Эколого-мелиоративные требования к сельскохозяйственным угодьям при использовании органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений. 97
2.4. Мониторинг обращения органических отходов с учетом их размещения, агро- и эколого-мелиоративных характеристик почвенного покрова с использованием геоинформационных технологий. 105
Глава 3. Модели прогнозирования влияния органических отходов на агрохимические свойства почв сельскохозяйственных угодий .
3.1. Прогнозирование водно-солевого режима почв при орошении сточными водами и животноводческими стоками. 122
3.2. Модель накопления, миграции и трансформации азота в почве при использовании органических отходов . 132
3.3. Прогнозирование запасов гумуса в почве при внесении осадка сточных вод и навоза. 136
3.4. Модель миграции тяжелых металлов в почве при использовании твердых и жидких органических отходов. 156
Глава 4. Задача оптимизации использования отходов в качестве нетрадиционных органических удобрений .
4.1. Постановка задачи оптимизации использования органических отходов в сельском хозяйстве. 178
4.2. Реализация оптимизационной модели использования органических отходов в сельском хозяйстве региона . 182
4.3. Методология сценарных исследований по использованию органических отходов в сельском хозяйстве региона. 200
Глава 5. Система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве на региональном уровне .
5.1. Природная и хозяйственная характеристика Алтайского края. 205
5.2. Формирование и размещение органических отходов в Алтайском крае и их качество. 208
5.3. Информационная структура использования органических отходов в сельском хозяйстве. 251
5.4. Разработка региональной модели управления органическими отходами в сельском хозяйстве. 265
Глава 6. Управление органическими отходами в сельскохозяйственном производстве Алтайского края .
6.1. Проведение сценарных расчетов использования органических отходов в регионе для повышения плодородия почв агроландшафтов 271
6.2. Оценка экономической эффективности информационной системы управления органическими отходами в сельскохозяйственном производстве. 278
Выводы 286
Список используемой литературы 289
- Требования к качеству отходов, используемых для повышения плодородия сельскохозяйственных земель
- Выявление закономерностей влияния содержания тяжелых металлов в органических отходах на микробиологическую активность почвы
- Модель накопления, миграции и трансформации азота в почве при использовании органических отходов
- Реализация оптимизационной модели использования органических отходов в сельском хозяйстве региона
Введение к работе
Актуальность. Среди экологических проблем в мире и России можно выделить проблему всевозрастающего количества и разнообразия отходов производства и потребления. Ежегодно в мире образуется около 25109 т отходов, из них в России более 3,8 млрд. т. По данным Мирового института природных ресурсов объем сточных вод к 1990 году достиг 14100 км3. В России ежегодно образуется более 52 км3 сточных вод и 1,5 км3 животноводческих стоков. В отвалах и хранилищах накоплено более 31 млрд. т. твердых отходов, в том числе токсичных. Из-за недостатка полигонов для захоронения и складирования отходов производства распространена практика их вывоза в места неорганизованного складирования, под которые изъято более 100 тыс. га земель (Государственный доклад, 2009; Масаев, Пермяков, 2009). Все это способствует ухудшению экологической обстановки, вызывает загрязнение почв, поверхностных водных объектов, грунтовых вод, воздушной среды.
Вместе с тем, использование органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений в сельском хозяйстве позволяет решить несколько проблем. С одной стороны, вместе с отходами в почву поступает органическое вещество и элементы питания в доступных для растений видах, с другой, - решается проблема утилизации отходов, обеспечивающая охрану окружающей среды от загрязнения. Однако, при ненормируемом использовании или некачественной подготовке органических отходов наблюдается развитие негативных процессов: загрязнение, занитрачивание, засоление и осолонцевание почв, снижение их биологической активности за счет развития патогенной микрофлоры, ухудшение водно-физических свойств, миграция поллютантов в подземные воды, смыв в поверхностные водоисточники. Для предотвращения или снижения негативных последствий использования органических отходов в сельском хозяйстве необходимо разработать методы эффективного управления отходами с учетом особенностей их состава и природно-хозяйственных условий региона, что является актуальной и своевременной задачей научных исследований.
Рабочая гипотеза. Эффективность и безопасность использования органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений для повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв может быть достигнута путем разработки современных методов подготовки отходов и технологий их управления на региональном уровне.
Цель и задачи исследований. На основе детального анализа объемов, качества и территориального размещения органических отходов разработать систему поддержки принятия управленческих решений по безопасному их использованию в сельском хозяйстве для восстановления плодородия деградированных и малопродуктивных почв.
Для реализации цели были поставлены следующие задачи:
выполнить анализ формирования и особенностей состава отходов в мире и России;
изучить состав, территориальное размещение органических отходов, образующихся в Алтайском крае и оценить их качество;
обосновать возможность использования органических отходов для восстановления деградированных и малопродуктивных земель с целью повышения плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур;
создать геоинформационную систему мониторинга обращения отходов в регионе с учетом их размещения, агро- и эколого-мелиоративных характеристик почвенного покрова, а также наличия водных объектов;
разработать математические модели для прогнозирования влияния органических отходов на запасы гумуса в почве, загрязнения почв и грунтовых вод тяжелыми металлами и другими поллютантами;
разработать модель оптимального распределения органических отходов в сельском хозяйстве региона;
разработать региональную систему поддержки принятия управленческих решений по использованию органических отходов в сельском хозяйстве.
Методология и методика исследований. Методологической основой являются фундаментальные положения мелиоративной науки, почвоведения и экологии. При проведении исследований использованы принципы системного анализа, позволяющие обеспечить эффективную стратегию изучения объекта исследований. Для решения поставленных задач применены методы математического моделирования, метод двухслойной неявной конечно-разностной схемы, метод Рунге-Кута, симплекс-метод, регрессионный анализ пакета Statistica.
Научная новизна исследований состоит в теоретическом обосновании и практической реализации оптимального использования органических отходов в сельскохозяйственном производстве для восстановления плодородия деградированных земель.
Впервые разработана региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве на примере Алтайского края. Усовершенствована методика прогнозирования запасов гумуса в почве, учитывающая не только процессы гумификации органических отходов и растительных остатков, но и их накопление в почве. Разработана математическая модель миграции тяжелых металлов в почве, учитывающая поступление тяжелого металла с органическими отходами, как в подвижной, так и неподвижной формах, а также переход из одной формы в другую. Впервые предложена математическая модель оптимального использования отходов в регионе с учетом интересов предприятий, формирующих отходы, и возможных потребителей отходов. Для информационной системы поддержки принятия управленческих решений разработаны состав и структура мониторинга обращения отходов в регионе на базе геоинформационных технологий. На основе многолетних экспериментальных данных получены зависимости влияния органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур.
На защиту выносится:
-закономерности влияния объемов и компонентного состава органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур.
-научно-методическое обеспечение мониторинга обращения отходов в регионе и его реализация с использованием геоинформационной технологии.
-математические модели прогнозирования динамики запасов гумуса в почве и загрязнения почвы тяжелыми металлами при использовании органических отходов в качестве нетрадиционных удобрений;
-модель оптимизации распределения органических отходов на сельскохозяйственных полях, учитывающая запросы потребителя отходов и возможность их поставки с учетом интересов предприятий и сельхозпроизводителей;
-региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве для Алтайского края.
Практическая значимость. Разработанная региональная система поддержки принятия управленческих решений может быть применена для научно-обоснованного размещения органических отходов на землях сельхозтоваропроизводителей, что позволит повысить урожайность сельскохозяйственных культур и плодородие почв и решить экологическую проблему, связанную с негативным влиянием отходов на окружающую среду. Разработанные математические модели могут быть применены научными и проектными организациями для изучения процессов накопления запасов гумуса и миграции тяжелых металлов в почве, а также использованы в учебном процессе. Система поддержки принятия решений может найти применение при обосновании природоохранных мероприятий и при проведении экологической экспертизы.
Личный вклад автора состоит в анализе и обобщении литературных источников и фондовых материалов по формированию объёмов и качества различных видов отходов и оценке возможности их использования в сельском хозяйстве. Автором разработаны эмпирические модели влияния органических отходов на микробиологическую активность почвы, урожайность и качество сельскохозяйственных культур, математические модели и программное обеспечение динамики запасов гумуса и миграции тяжелых металлов, модель оптимизации распределения органических отходов на сельскохозяйственных землях. Выполнена компьютерная реализация и заполнение информационно-справочной и геоинформационной системы для Алтайского края. При личном участии автора проводились натурные эксперименты по использованию органических отходов на сельскохозяйственных угодьях Алтайского края.
Апробация результатов диссертационной работы. Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на международных научных конференциях во ВНИИГиМ (Москва, 2006-2009г. г.), Юбилейной международной научно-практической конференции (Барнаул, 2003 г.), международном конгрессе по управлению отходами Вэйстэк (Москва, 2003, 2007, 2009 г.), III российско-монгольской конференции (Бийск, 2004 г.), шестом международном конгрессе Экватэк (Москва, 2004 г.), международной научной конференции в ВНИИА (Москва, 2004 г.), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004 г.), на международной научной конференции посвященной 95-летию со дня рождения академика И.И. Синягина (Новосибирск, 2006), международной научной конференции в МГУП (Москва, 2008 г.), 4-й международной научно-практической конференции «Геопространственные технологии и сферы их применения» (Москва, 2008).
Работа награждена медалью лауреата ВВЦ на агропромышленной неделе (Москва, 2003 г.), премией Алтайского края в области науки и техники за 2004 г. и дипломом федерального агентства геодезии и картографии (Москва, 2008 г.).
Региональная система поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве внедрена в Управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды Алтайского края.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 45 научных работах, в том числе 12 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 288 страницах машинописного текста, иллюстрирована 57 рисунками, содержит 48 таблиц. Список литературы включает 405 наименований, в том числе 53 на иностранном языке.
Требования к качеству отходов, используемых для повышения плодородия сельскохозяйственных земель
Требования к качеству органических отходов для использования их в качестве удобрений складываются с учетом их образования, химического состава и санитарного состава. К каждому виду биологических отходов свои требования.
Всемирная Организация Здравоохранения- (ВОЗ) установила, что использование неочищенных сточных вод и животноводческих стоков для поливов сельскохозяйственных культур создает высокий риск загрязнения окружающей среды. Поэтому ВОЗ рекомендует применять сточные воды и животноводческие стоки в сельском хозяйстве после предварительной подготовки и при условии их пригодности для использования на ЗПО (Concern..., 1995). При использовании сточных вод и стоков на орошение необходимо в соответствии с действующими нормативами и законодательными документами провести их оценку по агрохимическим, санитарно-гигиеническим и ветеринарно-санитарным показателям.
Химический состав сточных вод и животноводческих стоков при сельскохозяйственном использовании оценивают по следующим основным агрохимическим показателям (Костяков, 1960; Можейко, Воротник, 1958; Буданов, 1965; Соболева, 1965; FAO, 1979; Сойфер, 1978; Антипов-Каратаев, Каратаев, 1959; Сойфер, Василенко, 1978; Стеблер; Болдырев, 1976; Додолина, 1978; Безднина, 2004): активность ионов водорода (рН), содержание взвешенных веществ, содержание солей, соотношение одно- и двухвалентных катионов, наличие основных биогенных элементов (азота, фосфора, калия), микроэлементов, органических веществ. Величины указанных показателей с учетом норм внесения сточных вод и стоков определяют возможности изменения почвенного плодородия: процессы засоления, осолонцевания и загрязнения почвы, уровень потенциального и эффективного плодородия почв, степень обеспечения растений элементами питания, активность микробиологических процессов, водно-физические свойства почвы, качество растениеводческой продукции и др.
Санитарно-гигиеническая и ветеринарно-санитарная оценка сточных вод и животноводческих стоков проводится по микробиологическим и паразитологическим показателям.
Оценка качества сточных вод и животноводческих стоков базируется, в первую очередь, на содержании основных элементов питания (N, Р, К), а также взвешенных веществ. Их использование на полях разрешается после дегельминтизации в системе подготовки и 6-суточного карантирования при условии, что за указанный период на комплексе не будет зарегистрировано инфекционных заболеваний животных.
В ряде случаев используемые на орошение сточные воды и животноводческие стоки разбавляют пресной водой. Разбавление необходимо по ряду причин: допустимостью содержания сухого вещества для обеспечения надежной работы насоса и дождевальной техники; безвредностью для растений концентрации азота (Сельскохозяйственное использование сточных вод, 1989). При орошении сточными водами и животноводческими стоками должно быть обеспечено качество воды в соответствии с требованиями, представленными в таблице 1.5.
Содержание органических веществ в сточных водах и животноводческих стоках определяется по показателю химического потребления кислорода (ХПК). Для условий черноземных почв этот показатель рекомендуется ограничивать величиной 1500...2000 мг02/л (Додолина, 1978).
Единых критериев оценки пригодности сточных вод для сельскохозяйственного использования по содержанию тяжелых металлов в настоящее время нет.
Однако, в некоторых странах сточные воды разделяют на три класса (Сводный доклад СЭВ ..., 1973): оросительные воды, используемые для культур, выращиваемых в теплицах и парниках (1-й класс); оросительные воды, используемые без ограничений для всех полевых и огородных культур (2-й класс); оросительные воды, используемые при определенных условиях для орошения большинства полевых и огородных культур. В США используются два вида ПДК тяжелых металлов в водах, используемых для орошения. В первом случае предлагается ПДК для вод, постоянно используемых на почвах всех типов при возможности продолжительности орошения не менее 100 лет. Второй уровень ПДК применяется для оросительных вод с более высоким содержанием тяжелых металлов, но с ограниченным использованием на почвах легкого гранулометрического состава при рН = 6,0-8,5 (возможная продолжительность орошения 20 лет). Примечание; - С - суммарная концентрация солей, г/л; - количество мг-экв/л данного иона в составе воды.
При этом в расчетах количества тяжелых металлов, поступающих с оросительной водой на ЗПО, учитывается не только величина их концентрации, еще не оказывающая вредного воздействия на растения, но и общее количество данного вещества, вносимого в течение года на единицу площади, которое определяется произведением концентрации вещества и оросительной нормы.
В большинстве случаев ПДК тяжелых металлов, установленные для оросительных вод, выше ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого водопользования. В тех случаях, когда в сточной воде обнаруживается какой-нибудь тяжелый металл или иной компонент, для которого еще не установлена ПДК в оросительной воде, в качестве временной меры ориентируются на показатели ПДК для воды объектов хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и санитарно-бытового водопользования. В некоторых случаях для оросительной воды предлагаются более,низкие ПДК тяжелых металлов, чем для вод хозяйственно-питьевого1 использования (кобальт, медь, молибден, хром). Это объясняется тем, что для вод объектов хозяйственно-бытового водопользования во всех случаях устанавливается ПДК тяжелого металла определенной валентности, а для оросительной воды валентность металла не указывается. Кроме того, на величины ПДК влияют различия подходов их установления в разных странах (табл. 1.6). Величина внесения микроэлементов с оросительной нормой не должна превышать 0,8 ПДК для почвы (Безднина, 1997).
Выявление закономерностей влияния содержания тяжелых металлов в органических отходах на микробиологическую активность почвы
Микробиологические ассоциации представляют собой сбалансированную систему и являются самыми чуткими индикаторами изменения режима почв. При подаче на поля животноводческих стоков почвенная среда меняется, что вызывает соответствующие изменения почвенного микробиоценоза, при этом экологическое равновесие неизбежно сдвигается в ту или иную сторону и важно, чтобы эти сдвиги не носили негативного характера (Матвеев, 1976).
Внесение в почву органических удобрений усиливает интенсивность микробиологических процессов, в результате чего сопряженно увеличивается трансформация органического и минерального вещества (Мишустин, Емцев, 1987).
После поступления органических отходов начинается сложная цепь их физико-химических, химических и микробиологических превращений. Наряду с основными агрохимическими и водно-физическими показателями плодородия почв определяют общую микробиологическую активность, которая, в основном, обусловлена деятельностью почвенной микрофлоры (Карпе и др., 1990).
При выравнивании рекультивируемых участков при внесении осадка сточных вод под посев трав количество гетеротрофных бактерий в почве через год равнялось 63,67 х106 шт., через 5 лет - 13,74x106 шт., а на участке через 5 лет после внесения только минеральных удобрений - 3,06x106 шт/г. Показатели количества грибов равнялись соответственно 18,14x105 шт., 4,03x105 шт. и 0,16x105 шт. Количество актиномицетов - 1,48x104 шт., 40,89x104 шт. и 6,94x104 шт/г. Количество бактерий Nitrosomonas - 29,31x104 шт., 6,98x104 шт. и 3,01x101 шт. Количество бактерий Nitrobacter -126,53x105 шт., 9,39x105 шт. и 5,47x101 шт/г. Микробиологическая активность почвы была выше при использовании осадка сточных вод, особенно через год после внесения. Разлагалось 54 % осадка и через 5 лет -96 % (Seaker, Sopper ,1988).
Малые концентрации микроэлементов оказывают стимулирующее воздействие на рост бактерий в почве, а повышенные их концентрации оказывают ингибирующее воздействие. Тяжелые металлы особенно токсичны для микробиоты. В загрязненных тяжелыми металлами почвах наблюдается ослабление развития- микроорганизмов и энзиматической активности (Hattori, 1989; Lokwood, 1994; Kabata-Pendias, 1989,2005). По степени опасности тяжелые металлы делят на 3 класса: 1. Особо токсичные: кадмий, мышьяк, ртуть, свинец, селен, цинк. 2. Токсичные: кобальт, медь, молибден, никель, сурьма, хром. 3. Слабо токсичные: барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций. Токсичное действие тяжелых металлов может быть прямым и косвенным. В первом случае блокируется реакция с участием фермента, что приводит к уменьшению либо происходит прекращение его каталитического действия (табл. 2.2.). Косвенное воздействие проявляется в переводе питательных веществ в недоступное состояние. Опасность, вызываемая загрязнением тяжелыми металлами, усугубляется еще и слабым выведением их из почвы. Так период удаления изменяется в зависимости от вида металла следующим образом: для Zn-70..510 лет, Cd-13-ПОО, Cu-310..1500, Pb-740..5900 лет. Отмечено заметное сокращение выделяющегося количества СОг при добавлении органических отходов с высоким содержанием Cd (водорастворимые формы) в зависимости от типа почв. Если концентрации Cd (водорастворимых форм) в почве были в критических уровнях, то выделение ССЬ было одинаково (при концентрации Cd в 1 мг/г) для всех типов почв. Если концентрация Cd была 1 мг/г почвы и более, то количество выделяющегося СОг снижалось пропорционально концентрации водорастворимого Cd независимо от типа почвы. Аналогичную тенденцию наблюдали для активности микроорганизмов (бактерий и актиномицетов) и для минерализованного N. По сравнению с уровнем Cd численность грибов и активность В-глюкозидов имеют тенденцию к снижению. Активность протеазы снижалась также, если концентрация Cd в почве повышалась (Hattori, 1989). зависимость микробиологической активности почвы от количества и качества внесенных в почву твердых органических отходов по разложению льняной ткани. Степень разложения льняной ткани в зависимости от содержания подвижных форм микроэлементов имеет вид: Y=-447,39As2+0,128573Zn2-678,llPb2+310,045Ni2+4224Cr2+420,74Cd2-758,14, (2.3) где Y - степень разложения льняной ткани, %; As, Zn, Pb, Ni, Cr, Cd -содержание подвижных форм микроэлементов в почве, %. Величина достоверности аппроксимации (R2) составляет 0,97. Для проверки адекватности зависимости также были использованы результаты многолетних исследований автора и сотрудников ФГУП АФ НИИССВ «Прогресс» в Алтайском крае по использованию осадка сточных вод г. Барнаула (рис. 2.2.). Степень разложения льняной ткани показала увеличение микробиологической активности почвы при внесении в;почву осадка до 50 т/га. При большей дозе происходит снижение микробиологической активности вследствие увеличения содержания тяжелых металлов в. почве. Использование органических отходов в качестве удобрений ограничено объёмом и; содержанием в них поллютантов; Микробиологическая. активность является важным экологическим ограничением;при установлении объема, внесения органических- отходов в почву. Очистка сточных вод на различного рода очистных сооружениях полностью, не освобождает сток» от тяжелых металлов:, Лабораторно полевые опыты по использованию очищенных сточных вод г. Рубцовска на: орошение: показали возможность, накопления тяжёлых металлов; в; почвах. . Если : в исходном состоянии в слое почвы 0-20 см содержание меди! составляло-1, 3.2 мг/кг, то. при внесении городских стоков в объеме 3000 м3/га?ежегодно в; течение 6 лет её количество повысилось до 3.6 мг/кг. При этом концентрации: тяжёлых металлов В:почве за годы орошения сточными водами не.превысили . ПДК,(табл.,2.3).
Модель накопления, миграции и трансформации азота в почве при использовании органических отходов
Органические отходы, вносимые в дозах, обеспечивающих увеличение содержания гумуса в почвах, положительно влияют на увеличение содержания гуминовых кислот, обусловливают уменьшение количества фульвокислот, в результате чего заметно расширяется соотношение Сгк/Сф (Никифоренко, 1985).
Вопрос влияния различных систем удобрений на гумусное состояние почв все еще остается недостаточно исследованным: не установлены закономерности изменения во времени содержания гумуса и азота в почвах разного типа, слабо изучены показатели, характеризующие качество гумуса, практически не изучены изменения свойств гумусовых кислот (Семенов и др. 1974; Томашиевский, Пристайко 1990).
Для правильной оценки изменения гумуса в почве при внесении органических отходов и возможности управления этим процессом необходимо изучение процессов формирования гумусообразования в системе «органические отходы - почва - растение» и возможность его прогнозирования.
Модель представляет собой упрощенную форму отображения реальной природной среды с её функциональными характеристиками. Для понимания поведения системы с точки зрения внутренних механизмов обычно используют имитационную модель. Такую модель можно построить, разделяя систему на компоненты и описывая поведение всей системы из совокупности отдельных компонентов и взаимосвязи между ними.
Имитационное моделирование широко использует методологию системного анализа и открывает совершенно новые пути для исследования природных объектов (Кирейчева 2001).
Моделированием запасов гумуса в почве занимались многие российские и зарубежные ученые. Одной из первых моделей разложения растительной массы в почве была модель П.А. Костычева (1886). Затем была модель Г.Г. Бирштейна (1911), который провел математическую обработку опытов П.А. Костычева, применив к процессам разложения растительных остатков зависимость для скорости необратимых монокулярных реакций. F. Иенни (1948) была предложена математическая модель количественного описания процессов разложения- и накопления органического вещества почвы и лесной подстилки при развитии экосистемы. Некоторые концептуальные основы построения моделей динамики органического вещества почв в общей системе моделей экосистем были изложены в работах (Гильманов 1978; Базилевич, Гильманов 1985).
В модели (Журавлев 1979; Журавлев 1982) рассматривается однородный по всем характеристикам слой почвы в пределах пахотного горизонта, в который ежегодно попадают растительные остатки и органические удобрения. В процессе микробиологического и химического разложения с постоянными в течение года параметрами минерализации и гумификации происходит воспроизводство почвенного органического вещества, которое представлено группой неспецифических органических соединений и двумя группами специфических соединений фульвокислой и гуминовой природы. Для сведения полного баланса круговорота углерода в агроэкосистеме учитывается углекислый газ как конечный продукт минерализации углеродсодержащих соединений в почве. На основе баланса углерода в агроэкосистеме и предположения о том, что скорости трансформации любого компонента органического вещества прямо пропорциональны содержанию этого компонента в почве, модель представлена шестью линейными дифференциальными уравнениями первого порядка. В работе (Мамихин, Тихомиров 1984) предложена математическая модель многолетней динамики органического и техногенного углерода в черноземе типичном под агроценозом. Модель представлена потоковой диаграммой и системой линейных дифференциальных уравнений баланса углерода в компонентах экосистемы. В вектор состояния включено восемь переменных: надземные и подземные органы, надземные и подземные пожнивные остатки, гумус четырех горизонтов чернозема типичного. Представленные в табличной форме числовые значения параметров, использованные в модели, идентифицированы в основном по литературным данным, коэффициенты минерализации гумуса получены с помощью модели. Авторы работы (Гончар-Зайкин, Журавлев 1985) предлагают шестикомпонентную базовую математическую модель, построенную на балансе углерода в экосистеме. Рассматриваются следующие компоненты органического вещества почвы: растительные остатки, остатки органических удобрений, неспецифические соединения органического вещества почвы, соединения фульвокислой природы, соединения гуминовокислой природы и углекислый газ. Процессы трансформации (минерализация, гумификация, промежуточные молекулярные преобразования) описываются кинетическими параметрами. Система из двух дифференциальных уравнений, описывающих содержание гумуса и органических остатков (учитывается только та часть, которая трансформируется в гумус) предложена в работе (Володин и др. 1985). Предполагается, что предлагаемая модель может быть использована для приближенных расчетов динамики гумуса. Три задачи баланса и прогнозирования гумуса, а именно: сколько требуется ежегодно вносить органических удобрений для компенсации потерь гумуса, когда наступит самостабилизация его содержания, на каком уровне будет эта самостабилизация решались авторами (Ионенко, Бацула 1986) на основе представлений о кинетике распада гумуса как о мономолекулярном процессе, описываемом экспоненциальным уравнением вида Эти же авторы (Ионенко и др. 1986) предлагают уравнение процесса. гумификации с учетом изменения температуры и влажности. Процесс трансформации представлен в виде конкурирующих процессов гумификации и минерализации. Скорость процесса гумификации интерпретируется как векторная сумма скоростей процессов распада и синтеза. Доказывается "теорема управления", на основании которой делается вывод, что для успешного осуществления процесса гумификации следует всеми доступными с экономической точки зрения способами интенсифицировать процесс поликонденсации. С другой стороны, всякая попытка ускорить общий процесс трансформации может привести лишь к, ускорению процесса минерализации, но добиться таким путем увеличения выхода гумуса невозможно.
Реализация оптимизационной модели использования органических отходов в сельском хозяйстве региона
Затраты за хранение отходов представляют собой расходы на содержание отходов на иловых площадках, буртах или в биологических прудах. Включают земельный налог, заработную плату работников, стоимость энергетических ресурсов и различных вспомогательных материалов. Затраты на подготовку отходов представляют собой расходы на оборудование, механизмы и технологии, амортизационные отчисления, электроэнергию и топливо, заработную плату работников, различные вспомогательные материалы. Исчисление и взимание платы за загрязнение окружающей среды осуществляется на основании положений Федерального закона от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», постановлений Правительства Российской Федерации от 28 августа 1992 г. № 632 «Об утверждении Порядка определения платы и ее предельных размеров за загрязнение окружающей природной среды, размещение отходов, другие виды вредного воздействия».
Плата за загрязнение представляет собой форму возмещения экономического ущерба от органических отходов, формируемых предприятиями, возмещающую затраты на компенсацию воздействия органических отходов и стимулирование снижения, утилизации или поддержания объемов формирования отходов в пределах нормативов, а также затраты на проектирование и строительство природоохранных объектов.
Исходными данными для определения фактической массы органических отходов могут служить: - данные контрольно-измерительной лаборатории предприятия-, органов государственного экологического контроля, иной аккредитованной на право проведения аналитических работ лаборатории; - данные о расходе топлива, сырья, материалов; - данные о временном режиме работы оборудования за год; - данные о поголовье КРС, свиней, овец, маралов и др. - нормативы образования отходов и веществ, применяемые при проектировании хозяйственных объектов, очистных сооружений и т.п., в том числе расчетные удельные характеристики отходов на единицу продукции; С целью оптимального распределения органических отходов в регионе разработана информационная технология. В состав программного обеспечения включена база данных и модель оптимального распределения органических отходов на! сельскохозяйственных землях, которая является ядром системы поддержки принятия управленческих решений при использовании органических отходов в сельском хозяйстве на региональном уровне. База данных и СУБД содержат исходную информацию, производит обработку вводимых данных и представляет их в форме, которая используется в модели или даёт информацию о невозможности решения поставленной задачи. В качестве исходных вводятся следующие данные: - предельно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в почве: наименование вещества, величина ПДК, лимитирующий показатель; - допустимое валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в отходах: наименование вещества, содержание, методы определения; - предельно допустимые концентрации для орошения и хозяйственного водопользования: наименование вещества, величина ПДК для орошения, величина ПДК для хозяйственного водопользования; - предприятия-источники органических отходов: код, наименование, адрес; - виды органических отходов: код, наименование; - отходы предприятий: код предприятия, код отхода, годовой объем формирования, оптимальный объем внесения, состав органических отходов; используемые сельскохозяйственные угодья: код сельхозпроизводителя, код угодья, наименование; планирование использования органических отходов: код предприятия, код отхода; код сельхозпроизводителя, код сельскохозяйственного угодья, ежегодный объем внесения отхода, периодичность, капиталовложения, ежегодные расходы, ежегодная прибыль. В блоке модели производится расчёт оптимального использования отходов в регионе с целью увеличения прибыли сельхозтоваропроизводителей- и уменьшения затрат предприятий поставщиков отходов. Модель позволяет увеличить прибыль сельхозпроизводителей и- тем самым стимулировать их использовать органические отходы в качестве удобрений: Для расчёта используется разработанная автором оптимизационная модель. Для решения поставленной- задачи был использован модифицированный симплекс-метод. В литературе этот метод встречается также под названием метода обратной матрицы (из литературных источников). При решении задач линейного программирования, в которых п (количество переменных) существенно больше m (количество ограничений), модифицированный симплекс-метод требует, по сравнению с другими, значительно меньшего количества вычислительных операций и объема памяти ЭВМ. В модифицированном симплекс-методе реализуется та же основная идея, что и в обычном симплекс-методе, но здесь на каждой итерации пересчитывается не вся матрица А" , обратная матрице ограничений А, а лишь та часть, которая относится к текущему базису Ах. Рассмотрим поэтапно шаги решения задачи линейного программирования модифицированным симплекс-методом:
