Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АГРОЛАНДШАФТОВ

Сафронова Т.И. 1 Приходько И.А. 1
1 ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет им. И.Т. Трубилина»
Проблемы сохранения почвенного плодородия, учет при проектировании агроландшафтов изменяющихся климатических условий являются важными проблемами. Располагая результатами проведенного анализа, можно спрогнозировать соответствие или несоответствие намечаемых мероприятий природному потенциалу, установить очередность мероприятий, а также ограничения, которыми следует руководствоваться при их использовании, чтобы не допустить возникновения экологических проблем. Комплексная оценка качества почв включает оценки физических, гидрохимических, гидробиологических показателей. Характер и объём исходной информации должен исходить из концепции сохранения экологического благополучия почв, при котором обеспечивается устойчивость экосистемы и её нормальное функционирование. Необходим анализ экологической ситуации и комплексная мелиоративная оценка территории. Такой подход обусловлен возрастающими потребностями практики и развитием информационных технологий. Неопределенность параметров требует разработки специальной методики. Авторами получено выражение, позволяющее количественно оценить ущерб с учетом вероятностной неопределенности экологических, экономических и других факторов проекта. Предложенный в работе подход планирования может быть основой программы, соответствующей оптимальной производственной деятельности при условии поддержания состояния внешней среды на заданном уровне, и может быть использован при определении очередности осуществления мероприятий для сравнительного анализа различных вариантов природоохранных мероприятий. Направление моделирования оптимального проектирования только начинает развиваться. Авторы предлагают один из возможных вариантов модели оптимального проектирования, подчеркивая, что почвенные процессы могут быть описаны и проанализированы аналитически, с учетом действия неконтролируемых факторов внешней среды. Результаты моделирования можно использовать в последующем решении целевых задач.
математическая модель
мелиоративная система
неопределенность
устойчивость агроландшафта
1. Чеботарев М.И., Приходько И.А. Инновационный комплекс технологических операций для повышения мелиоративного состояния почв рисовой оросительной системы // Труды КубГАУ. 2011. № 28. С. 169–172.
2. Сафронова Т.И., Степанов В.И. Математическое моделирование в задачах агрофизики. Учебное пособие для студентов высших аграрных учебных заведений, обучающихся по направлениям 110200 «Агрономия», 280400 «Природообустройство». Краснодар, 2012. 110 с.
3. Сафронова Т.И. Соколова И.В. Вероятностная модель снижения цены мелиоративного мероприятия // Научный журнал КубГАУ. 2017. № 132 (08) [Электронный ресурс]. URL: http://ej.kubagro.ru/2017/08/pdf/26.pdf (дата обращения: 16.03.2019). DOI: 10.21515/1990-4665-132-026.
4. Сафронова Т.И., Соколова И.В. О дисциплине «Математическое моделирование и проектирование» на агрономическом факультете // Математика в образовании: сборник статей. Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова; Межрегиональная общественная организация «Женщины в науке и образовании». Чебоквары, 2016. С. 88–92.
5. Владимиров С.А. Комплексные мелиорации переувлажненных и подтопляемых агроландшафтов: учебное пособие. Краснодар: КубГАУ, 2009. 243 с.
6. Владимиров С.А., Амелин В.П., Крылова Н.Н. Методологические аспекты перехода на экологически чистое устойчивое рисоводство Кубани // Природообустройство. 2008. № 1. С. 24–30.
7. Владимиров С.А. Исследование и оценка климатического потенциала предпосевного периода риса в условиях учхоза «Кубань» Кубанского ГАУ // Труды КубГАУ. 2009. № 20. С. 271–281.
8. Амелин В.П., Владимиров С.А. Методика расчета эффективности использования земель рисового ирригированного фонда // Труды КубГАУ. 2009. № 19. С. 227–230.
9. Владимиров С.А., Амелин В.П., Гронь Е.И. Алгоритм реконструкции и проектирования ландшафтно-мелиоративных систем нового поколения // Труды КубГАУ. 2009. № 19. С. 209–215.
10. Амелин В.П., Владимиров С.А. Экологически чистая ресурсо- и энергосберегающая технология возделывания риса и севооборотных культур // Труды КубГАУ. 2007. № 8. С. 165–170.
11. Владимиров С.А. Эффективность ландшафтных преобразований как фактор устойчивого и безопасного рисоводства // Труды КубГАУ. 2009. № 21. С. 158–164.
12. Владимиров С.А., Хатхоху Е.И., Крылова Н.Н., Чебанова Е.Ф. Интенсификация рисоводства как фактор экологической напряженности // Труды КубГАУ. 2018. № 70. С. 147–155. DOI: 10.21515/1999-1703-70-147-155.
13. Прус Д.В., Кайтмесов А.Х., Владимиров С.А. Комплексная оценка природно-ресурсного потенциала формирования устойчивой урожайности культур в условиях правобережья Кубани // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: сборник статей по материалам IX Всероссийской конференции молодых ученых (г. Краснодар, 24–26 ноября 2015 г.) Краснодар: Изд-во КубГАУ, 2016. С. 865–866.
14. Владимиров С.А. Критерии продуктивного использования земельных ресурсов и устойчивости агроландшафтов // Земельные и водные ресурсы: мониторинг эколого-экономического состояния и модели управления: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 10-летию Института землеустройства, кадастров и мелиорации (г. Улан-Удэ, 23–25 апреля 2015 г.). Улан-Удэ: Бурятская государственная сельскохозяйственная академия имени В.Р. Филиппова, 2015. С. 187–191.
15. Владимиров С.А. Теоретические основы энергетического механизма влияния климата предпосевного периода на формирование урожайности риса // Земельные и водные ресурсы: мониторинг эколого-экономического состояния и модели управления: материалы международной научно-практической конференции, посвященной 10-летию Института землеустройства, кадастров и мелиорации (г. Улан–Удэ, 23–25 апреля 2015 г.). Улан-Удэ, 2015. С. 182–187.

Высокая сельскохозяйственная нагрузка на районы земледельческой части Краснодарского края требует сохранения и воспроизводства плодородия этих почв.

Восстановление и развитие орошения и осушения земель намечено осуществить в два этапа: I – 2009–2015 гг., II – 2016–2020 гг. [1–3].

На первом этапе необходимо обеспечить восстановление, реконструкцию и эффективное использование имеющихся оросительных и осушительных систем, осуществить научные исследования и научно-технические разработки инновационного развития орошения и осушения земель. К 2015 г. намечено провести реконструкцию, модернизацию и повысить эффективность использования орошаемых земель на площади 2,2 млн га, осушаемых – 1 млн га. Ввод новых орошаемых и осушаемых земель намечен на 2014–2015 годы по 200 тыс. га в год.

На втором этапе намечено довести площади орошаемых и осушенных земель до уровня, позволяющего производить сельскохозяйственную продукцию в количестве, достаточном для удовлетворения потребности страны в продуктах питания.

Цена принимаемых решений очень велика. Необходимо определить оптимальный перечень мелиоративных работ, обеспечивающий максимальную эффективность мелиорации при заданных ограничениях на капиталовложения и другие ресурсы.

В последние годы из-за недостатка средств на мелиоративные мероприятия углубились явления вторичного засоления и осолонцевания почв в результате вымывания из пахотного слоя гумуса, кальция, коллоидных и питательных веществ. Из-за повышенных требований на подаваемую воду (не отвечающих истинным потребностям) образуются большие переполивы, приводящие к подъему уровня грунтовых вод и непроизводственному сбросу неиспользованной воды за пределы оросительной системы. В этой связи требуется обоснование приемов регулирования процессов на мелиорируемых землях [1].

В современном сельскохозяйственном производстве особенно важна проблема устойчивости агроландшафта. Для достижения оптимального уровня экологического равновесия и устойчивости агроландшафта необходим количественный подход. При этом экологические требования должны быть приоритетными.

Оптимизация распределения ресурсов при планировании мелиоративных мероприятий – сложная квалиметрическая задача. Постановка задачи при распределении ресурсов состоит в производстве сельскохозяйственной продукции в заданном объеме при сохранении экологической устойчивости агроландшафта. В каждом мелиоративном проекте проводится анализ влияния намечаемых мероприятий на окружающую среду, определяются меры по нейтрализации или ограничению ущерба.

Особенность оценки эффективности природоохранных проектов состоит в необходимости учета вероятностного характера происходящих процессов [4; 5]. Степень возможности определенных сценариев характеризуется их вероятностью или вероятностными распределениями. Для учета стохастического характера процессов необходим выбор подходящих вероятностных моделей.

Отличие проектов, разрабатываемых для детерминированных ситуаций, от проектов, учитывающих факторы неопределенности, состоит в том, что во втором случае условия реализации проекта неизвестны [6; 7].

Однако какова цена намечаемого мероприятия в совокупности обязательных к рассмотрению факторов и есть ли возможность оценки влияния каждого или их групп на конечный результат? Естественно, такая широта постановки вопроса не может быть решена экспериментально или только анализом и обобщением априорной информации. Именно для выхода из подобных ситуаций наиболее приемлемо математическое моделирование процессов, возможностями которого далее и воспользуемся. Была поставлена цель – разработать математическую модель процесса снижения цены намечаемых мелиоративных мероприятий [8; 9].

Материалы и методы исследования

В основе разрабатываемой математической модели заложены принципы количественных и качественных методов оценок природно-климатических, почвенных, водных и эколого-агроландшафтных критериев и показателей для принятия оптимальных решений на основе аппроксимации имеющихся данных.

Математические модели такого типа не могут быть конечного вида и находятся в состоянии совершенствования (дополнения) на протяжении всего своего времени использования. Путем добавления в них новых данных по рассматриваемым природно-климатическим, почвенным, водным и эколого-агроландшафтным показателям и критериям, а также степени их взаимовлияния друг на друга при различных условиях их сочетания программа коррелирует принимаемые решения для принятия оптимально адекватного управленческого решения для конкретного хозяйства [10; 11].

Составим математическую модель изменения цены мероприятий, обеспечивающих удовлетворительное мелиоративное состояние системы, максимальную прибыль с учетом потерь от неблагоприятного состояния.

Пусть цена намечаемого мероприятия – S и цена выполняемых мероприятий S(t) – непрерывная функция времени t. При t = 0 S(0) = S0 и функция S(t) – монотонно убывающая. Обозначим R – вероятность наступления неблагоприятного состояния. Заметим, что эта вероятность R(S) зависит от цены выполненных мероприятий. Намечаемые мероприятия образуют пуассоновский поток интенсивности l. В работе [1] получены основные характеристики случайных величин – цены состояния и промежутка времени до наступления благоприятного состояния.

Плотность вероятностей промежутка времени до наступления благоприятного состояния определяется следующим выражением:

safr01.wmf

Обозначим Sm – минимальную цену мелиоративных мероприятий, при которых неудовлетворительное состояние системы наступает непременно.

Пусть K(τ) – ущерб, который будет нанесен мелиоративной системе, если удовлетворительное состояние системы наступит в момент времени τ.

Составим выражение для дохода Q:

safr02.wmf (1)

и потребуем, чтобы выполнялось условие safr03.wmf

Используя методы вариационного исчисления, заменим S(τ) на S(τ) + δS(τ). При этом Q изменится на величину

safr04.wmf

safr05.wmf

После преобразования получим:

safr06.wmf

safr07.wmf (2)

При δS(τ) под знаком интеграла в δQ стоит выражение

safr08.wmf

safr09.wmf (3)

На экстремали [1] оно должно равняться нулю:

safr10.wmf

safr11.wmf (4)

Разделим обе части этого выражения на safr12.wmf и продифференцируем по t. Тогда получим:

safr13.wmf

safr14.wmf

safr15.wmf

Сократим экспоненты и приведем подобные

safr16.wmf

Вычислив производную

safr17.wmf,

разделим обе части этого выражения на safr18.wmf и продифференцируем по t. После преобразований получим дифференциальное уравнение для оптимального значения S(τ):

safr19.wmf (5)

Дифференциальное уравнение (5) – первого порядка относительно S(τ).

Чтобы найти произвольную постоянную, входящую в общее решение уравнения (5), составим дополнительное условие, положив на экстремали τ = 0. Получим:

safr20.wmfsafr21.wmf (6)

Далее рассмотрим частный случай выражения ущерба K(τ) = K0τ. Дифференциальное уравнение для линейной зависимости K(τ) будет иметь вид:

safr22.wmf (7)

Можно показать, что решение уравнения (7) имеет вид S(τ) = S0.

Тогда safr23.wmf и в результате получаем алгебраическое уравнение:

safr24.wmf (8)

Примем зависимость цены от времени функцией safr25.wmf. В этом случае S(0) = S0 и safr26.wmf.

Исходя из полученного, выражение (8) принимает вид:

safr27.wmf (9)

где Sm – минимальная цена мелиоративных мероприятий, при которых неудовлетворительное состояние системы наступает непременно, R(Sm) = 1;

SM – максимальная цена мероприятий, при которой не отмечается ущерб природной среде, R(SM) = 0 [12; 13].

Оптимальную стоимость мелиоративных мероприятий получаем из выражения (9):

safr28.wmf (10)

Полученная нами формула (10) позволяет количественно оценить ущерб с учетом вероятностной неопределенности экологических, экономических и других факторов проекта, произвести выбор оптимальных параметров эксплуатации мелиоративной системы, а также решать другие задачи, связанные с рациональным использованием природных ресурсов.

Одним из приоритетных направлений мелиоративных проектов является разработка и внедрение природоохранных технологий, которые обеспечивают повышение экологической безопасности агроландшафтов и способствуют предотвращению негативных процессов при антропогенном воздействии. Примеры возможных мероприятий: система обработки почвы, направленная на улучшение ее структуры, строения и водно-физических свойств; внесение органических и минеральных удобрений; мероприятия по устранению щелочности и кислотности почв, осушению заболоченных земель; промывка почв. Затраты на промывку почвы зависят от степени засоления, следует также учитывать ущерб от недопромывки почв [14; 15].

Результаты исследования и их обсуждение

Мелиоративные объекты должны быть объектами повышенного внимания и ответственности, что в свою очередь накладывает особые требования к методам оценки влияния проектируемых и эксплуатируемых мелиоративных систем.

Исследования должны основываться на «комплексном подходе» с определением степени влияния каждого мероприятия на планируемый результат и учетом как можно большего количества взаимовлияющих факторов на результат других выполняемых мероприятий, входящих в состав «комплексного подхода». Однако из-за различных материально-технических возможностей и экономических ресурсов хозяйств не все и не в полном объеме фундаментальные положения могут быть реализованы, что затрудняет создание единой межхозяйственной (межрегиональной) базы данных с достаточной степенью адекватности.

В связи с этим одним из основных направлений наших исследований является разработка математической модели для принятия управленческих решений по рациональному возделыванию сельскохозяйственных культур. Полученные результаты могут усовершенствовать теоретические основы формирования оценки мелиоративного состояния агроландшафтов с учетом неопределенности исходных данных.

В основе разрабатываемой математической модели заложены принципы количественных и качественных методов оценок природно-климатических, почвенных, водных критериев и показателей для принятия оптимальных эколого-адаптивных решений на основе аппроксимации имеющихся данных. Характеристики климатических ресурсов: количество солнечной радиации, сумма активных температур, максимальные, минимальные и среднегодовые значения температуры воздуха, количество осадков за вегетационный период, по месяцам года и др. Почвенные ресурсы характеризуются типом и разновидностью почвы, мощностью гумусового слоя, рН почвы, содержанием питательных элементов, физическим состоянием (структурно-агрегатный состав, влагоемкость, плотность, водопроницаемость).

Антропогенное воздействие на агроландшафт характеризуют внесенные удобрения (органические и минеральные), пестициды (вид, количество), семена, мелиоранты, используемая техника и тому подобное.

Разрабатываемый подход может быть научно обоснованной стратегией природопользования, совершенством технологий мелиорации, так как позволяет учесть антропогенное воздействие и количественные оценки природно-климатических, почвенных и водных ресурсов. Использование результатов приостановит прогрессирующее загрязнение окружающей среды и деградации природных экосистем.

Заключение

Экологические проблемы должны быть учтены на всех уровнях планирования. Необходимо создать оптимальную систему природопользования и землепользования, сочетающую экономическую эффективность и экологическую устойчивость. При выборе управляющего воздействия часто возникает вопрос о замене одних управляющих факторов другими, имеющими сходное влияние на перевод объекта управления в данное состояние. Намеченный подход позволяет решить эту задачу и найти оптимальное соотношение мероприятий по предотвращению экологического ущерба. Предложенная модель дает возможность изменять входные условия, имитировать реальный режим эксплуатации, исследовать отклики объекта на изменение начальных условий, на изменение параметров моделируемой системы. В ходе разработки проектов сопоставляется несколько вариантов.

Разработанная модель может быть использована для сравнительного анализа различных вариантов природоохранных мероприятий, для определения очередности осуществления мероприятий, своевременной разработки мероприятий по недопустимому ухудшению почвенно-мелиоративного состояния орошаемых земель.


Библиографическая ссылка

Сафронова Т.И., Приходько И.А. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ АГРОЛАНДШАФТОВ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 3-2. – С. 204-209;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37094 (дата обращения: 28.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074