Автореферат (Информационная технология планирования поливов сельскохозяйственных культур)

На правах рукописи

БРЫЛЬ СЕРГЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛИВОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР

Специальность 06.01.02 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Защита состоится « 28 » января 2010 года в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, 44, к.504

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ

им. А.Н. Костякова Россельхозакадемии

Автореферат разослан «__» _________2009 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, д. т. н. С.Д. Исаева

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.

Содержание работы

В первой главе представлены результаты информационно-аналитических исследований методов прогнозирования водного и пищевого режимов почвы, водопотребления и урожайности сельскохозяйственных культур. Изучены основные направления разработки информационно-советующих систем планирования орошения и управления продукционным процессом в агробиоценозах, обеспечивающих получение запрограммированного урожая, рациональное использование водных и энергетических ресурсов.

Проблеме повышения точности управления режимами орошения посвящены исследования Алпатьева А.М. и Алпатьева С.М., Будыко М.Н., Галямин Е.П., Григорова М.С., Добрачева Ю.П., Жовтоног О.А., Ивановой Н.А., Ильинской И.Н., Коваленко П. И., Костякова А.Н., Константинова А.Р., Кружилина И.П., Остапчика В.П., Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Харченко С.И., Черемесинова А.Ю., Шумакова Б.А., Шумакова Б.Б., Циприса О.В., Щедрина В.Н. и других ведущих учённых, результаты которых показали важность учета изменчивости метеорологических параметров орошаемой территории при планировании поливов сельскохозяйственных культур.

Одним из перспективных направлений совершенствования расчетов режимов орошения в настоящее время становится моделирование изменчивости гидрометеорологических параметров на основе компьютерных информационных технологий. За счет внедрения информационно-советующих систем, обеспечивающих рост достоверности и точность информационного обеспечения, совершенствования методов прогнозирования гидрометеорологических показателей, суммарного водопотребления и оперативного планирования поливов сельскохозяйственных культур, может быть повышена эффективность использования водных ресурсов при орошении.

Использование информационных технологий позволяет учитывать пространственно-временную дифференциацию коэффициентов, параметров и констант, входящих в математические модели, что обеспечивает отражение цикличности внутрисезонного распределения гидрометеорологических факторов, специфики почвенно-климатические условий объектов орошения, вероятностный характер процессов, протекающих в агробиоценозах.