Принципи та методи планування адаптивного зрошення

ІІ. Водно-фізичні властивості грунту те саме при ущільненні 30-40 см шару грунту до1,4-1,5г/см3 зменшення обсягів поливних норм на 30-50% та розрахункового шару зволоження грунту до 30-50 см не поливати без попередньої оранки або глибокого розпушування до глибини 40-50 см

ІІІ. Агрохімічні і фізико-хімічні властивості грунту - “ - поливи невеликими нормами (300-400 м3/га), зменшення зрошувальної норми за рахунок зниження передполивного порогу у некритичні фази розвитку с.-г. культур (до 60-75% від НВ), внесення меліорантів та рідких добрив зі зрошувальною водою скорочення зрошувальної норми на 30-50%, вирощування посухостійких культур певних параметрах техногенних впливів;

визначення критичних значень показників родючості грунту.

У результаті для стаціонарів, розташованих у різних грунтово-кліматичних та господарських умовах одержані моделі родючості грунту, що є статистичними регресійними рівняннями, які відрізняються за видом залежностей та складом предикторів. Відмінності зумовлені як особливістю природних та господарських умов на об'єктах досліджень, так і обсягами вихідних даних, що застосовували для побудови моделей (табл. 4).

Для автоморфних умов грунтоутворення при поливах водою задовільної якості та наявності ряду багаторічних грунтових спостережень (понад 20 років) за динамікою показників родючості грунту нами запропоновано метод обгрунтування екологічно безпечних норм сезонної водоподачі на поля при зрошенні для різних варіантів застосування добрив.

Екологічно допустима водоподача визначається на основі моделей зв`язку комплексного показника родючості грунту з тривалістю зрошення, сумарною водоподачею від початку зрошення та продуктивністю сільськогосподарських культур. При цьому нами запропоновано такі критерії нормування:

підтримання значень комплексного показника зміни стану родючості грунту не більше критичного рівня ();

забезпечення рівнів врожаю сільськогосподарських культур не нижче 80% від максимального (Уфакт іV 80% Умакс).

Загальний алгоритм моделювання родючості грунту та екологічного нормування зрошення наведено на рис. 2.

Метод розроблено за матеріалами досліджень ІГА на Мереф'янському стаціонарі (Харківська обл.), закладеному на овочевій сівозміні при різних варіантах застосування добрив для умов інтенсивного тривалого зрошення типових чорноземів лісостепової зони.

Встановлено, що на варіанті 1, де добрива не вносили, для дотримання стану родючості грунту у прийнятих межах (КркритЈ_ 5,5) необхідним було зменшення зрошувальної норми в середньому на 470 м3/га. На 5-му варіанті при внесенні NPK без гною, для забезпечення збереження стану родючості грунту зрошувальну норму необхідно було зменшити у середньому на 250м3/га, а при оптимальному внесенні органічних та мінеральних добрив (варіант 10) різниця у значеннях змодельованої та фактичної зрошувальної норми не виходила за межі точності визначення вологості грунту (Ј_100 м3/га ) у метровому шарі, що свідчить про відповідність режимів зрошення, що застосовували, існуючій системі застосування добрив.

Враховуючи, що у середньому за варіантами досліду виконували 4 поливи, для забезпечення дотримання екологічно допустимих обсягів водоподачі необхідне було відповідне зменшення поливних норм: на 1-му варіанті на 120 м3/га, на 5-му на 60 м3/га.

На основі статистичної обробки результатів грунтових досліджень ІГА на стаціонарі ІЗЗ на Дунай-Дністровській ЗС, де поливи здійснюються водою обмежено придатною до зрошення за небезпекою осолонцювання та підлуження грунту, нами одержані моделі зв'язку показників родючості грунту від показників якості поливної води. Зазначені моделі можуть бути використані для визначення ступеню солонцюватості грунту при зрошенні водою певного хімічного складу та уточнення існуючих методів оцінки придатності води до зрошення.

Розроблені моделі родючості зрошуваних грунтів та запропоновані методи екологічного нормування зрошення можуть застосовуватися при сезонному та оперативному плануванні зрошення у господарствах з грунтово-екологічними та господарськими умовами аналогічними тим, для яких вони були одержані.

У п'ятому розділі викладено результати теоретичних і експериментальних досліджень з вивчення впливу різних варіантів зволоження грунту на комплекс грунтових режимів та властивостей, розробки методів екологічного нормування параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур при оперативному плануванні поливів.

Як свідчать численні дослідження різних авторів (Айдаров І.П., Голованов О.І., Жернов І.Є., Кірейчева Л.В., Муромцев М.М., Неміро Е.В., Остапчик В.П., Пачепський Я.А., Ромащенко М.І., Файбишенко Б.О. та ін.), при зрошенні неодмінно спостерігаються інфільтраційні втрати вологи за межі розрахункового шару грунту внаслідок гравітаційного відтоку при надмірному зволоженні та негравітаційних перетоків, зумовлених різницею потенціалів вологи між шарами грунту.

Проте, незважаючи на результати численних досліджень з вивчення закономірностей вологопереносу у грунті та розробки відповідних динамічних моделей, на практиці продовжують застосовувати традиційний підхід планування так званих біологічно оптимальних режимів зрошення сільськогосподарських культур.

При плануванні зазначених режимів за технологічний критерій управління приймаються динаміку вмісту вологи в активному шарі, а за граничні умови визначення оптимальних строків та норм поливів, значення вологості при найменшій вологоємності та критичний передполивний рівень зволоження грунту. Хибність наведеного підходу полягає у тому, що він зорієнтований лише на задоволенні біологічних потреб рослин і не враховує екологічних вимог щодо мінімізації інфільтраційних витрат вологи за межі розрахункового шару грунту. Нехтування закономірностями вологопереносу у грунті при плануванні зрошення та реалізація таких планів поливів спричинює розвиток істотних негативних екологічних наслідків (підняття рівнів грунтових вод, вимивання рухомих органічних речовин з активного шару грунту, тощо.), а також нераціональне використання водних та енергетичних ресурсів.

Враховуючи недосконалість науково-методичних засад формування поливних режимів, що застосовуються у практиці планування зрошення, та існуючий досвід вивчення вологопереносу у грунті нами виконано комплекс теоретичних досліджень з метою обгрунтування екологічно безпечних поливних норм.

У якості критерію визначення екологічно безпечної поливної норми нами прийнята умова дотримання обсягів інфільтраційних втрат вологи за межі розрахункового шару грунту при зрошенні ( Оінф. зр ) на рівні меншому або рівному обсягу інфільтрації у богарних умовах (qінф. бг) , яка для умов південного степу України, як правило, не перевищує 20-30 мм /рік.

Тоді, критерій екологічної безпеки зрошення може бути представлений у вигляді

мм/добу.

Комп'ютерні імітаційні розрахунки виконували за програмою AERATS-2 (Лукнер Л., Шестаков В.М.), що реалізує алгоритм чисельного розрахунку математичної моделі нестаціонарного одномірного ізотермічного вертикального вологопереносу.

У результаті розрахунків, для кожного із варіантів (понад 100) на різні проміжки часу розрахункового періоду, визначено розподіл потенціалу вологи, всмоктуючого тиску та вологості грунту в кожному розрахунковому вузлі та величину інтенсивності перетоку між розрахунковими вузлами (шарами), у тому числі і на нижній межі активного (розрахункового) шару грунту. Останнє дало можливість розрахувати об'єми вологи, що інфільтруються за межі активного шару грунтів різного гранулометричного складу при різних величинах поливних норм залежно від інтенсивності випаровування та потужності активного шару грунту у різні фази розвитку сільськогосподарських культур.

На основі обробки результатів комп'ютерного моделювання методами математичної статистики нами розроблено моделі залежності величини втрат поливної води на інфільтрацію за межі розрахункового шару від величини поливної норми та інтенсивності сумарного випаровування.

Моделі інфільтраційних перетоків вологи в поєднанні з прийнятим критерієм екологічної безпеки зрошення дали змогу одержати розрахункові формули для визначення екологічно безпечних поливних норм (табл.5) та побудувати номограми для їх визначення.

Поряд із критерієм мінімізації інфільтраційних втрат вологи за межі розрахункового шару запропоновано коригування параметрів режимів зрошення за критерієм оптимізації комплексу інших грунтових режимів. Введення додаткового екологічного критерію пояснюється тим, що оптимальний для умов водоспоживання рослин водний режим грунту у той самий час може формувати неоптимальні умови розвитку інших грунтових режимів, які, у свою чергу, мають істотний вплив на продукційні процеси рослин та впливають на напрями грунтоутворення. Проблемі оптимізації меліоративного режиму грунту при плануванні зрошення присвячено численні роботи І.П. Айдарова, у яких доводиться необхідність коригування параметрів режимів зрошення з метою оптимізації меліоративного режиму грунтів для створення найбільш сприятливих умов формування врожаю та розвитку грунтоутворювальних процесів.

Для вирішення завдання екологічного нормування зрошення за критерієм оптимізації комплексу грунтових режимів у період 1987 -1994 рр. було проведено комплексні стаціонарні водно-балансові та грунтові дослідження на полях дослідно-виробничого господарства Кримського філіалу ІГіМ у сел. Желябовка АР Крим та на виробничих полях господарств ім. ХIХ Партз'їзду Красногвардійського та "Україна" Кіровського районів АР Крим.

На об'єктах досліджень, де було закладено досліди з різними варіантами режимів зрошення, велись спостереження за грунтовими режимами та зміною властивостей грунту: окислювально-відновлювальним, тепловим, повітряним, лужно-карбонатним, нітратним, динамікою біологічної активності, структурно-агрегатним складом та щільністю грунту.

У результаті експериментальних досліджень впливу різних варіантів зволоження грунту при зрошенні на комплекс грунтових режимів та властивостей нами встановлено певні законо-мірності у вигляді статистичних регресійних моделей або якісної оцінки змін показників зазначених режимів.

Одержані закономірності не дають однозначної відповіді щодо значень оптимальної поливної норми або передполивного порогу зволоження грунту (табл. 6). Так, проведення поливів більш потужними нормами - 50 - 60 мм мають як негативний, так і позитивний вплив на грунтові режими. Негативний вплив визначається формуванням інфільтраційних перетоків вологи за межі кореневмісного шару, що сприяє руху нітратів вниз по профілю грунту. Зазначені процеси, у свою чергу, сприяють погіршенню структури та ущільненню грунту. У той же час, збільшення міжполивного періоду при застосуванні більших норм поліпшує повітряний режим у верхніх шарах, зменшує коливання температури та рН, підвищує біологічну активність грунту.

На основі узагальнення одержаних закономірностей, зроблено висновок, що найбільш оптимальні умови грунтоутворення у легкоглинистих та важкосуглинистих грунтах степового Криму забезпечуються при проведенні поливів нормами від 300 - 400 м3/га та підтриманні вологості грунту у розрахунковому шарі 75 - 100 %. За таких значень поливних норм мінімізується розвиток елювіальних процесів у грунті, а зниження вологості нижче оптимального рівня дає змогу збільшити міжполивний період, та тим самим забезпечити оптимізацію повітряного та біологічного режимів, збереження структури грунту та зменшення його ущільнення.

Однак, враховуючи, що у критичні періоди росту рослин при розвиненій кореневій системі, коли значення сумарного випаровування досить великі (понад 4 мм/добу) підтримання показників грунтових режимів в оптимальних межах важко забезпечити без редукції водоспоживання сільськогосподарських культур, запропоновано проводити циклічні поливи з чергуванням малих (300 м3/га) та більш потужніших норм (500 -600 м3/га) при дотриманні діапазону зволоження у активному шарі грунту у цей період 80 -100 % НВ.

Таким чином, екологічне нормування параметрів режимів зрошення при оперативному плануванні поливів запропоновано здійснювати у такій послідовності: спочатку обмежувати поливні норми за критерієм мінімізації інфільтраційних втрат вологи за межі активного шару грунту, потім, відповідно до виду сільськогосподарської культури та вологозабезпеченості року приймати остаточне рішення щодо величини поливних норм та передполивного порогу за умовою оптимізації комплексу грунтових режимів.

У шостому розділі наведено результати теоретичних досліджень з розвитку методологічних основ, функціональних задач, нормативної бази, моделей та алгоритмів планування адаптивного екологічно безпечного зрошення з використанням комплексу інформаційно-обчислювальних систем.

Враховуючи результати наших досліджень функціонування ПАМС у різноманітних грунтово-екологічних та господарських умовах та особливості ведення зрошення у сучасному виробництві, розроблено концептуальні положення адаптивного екологічно безпечного зрошення, які містять основні принципи планування та систему відповідних вимог.

На основі аналізу цільових функцій на різних рівнях управління зрошенням нами сформульовано такі принципи адаптивного екологічно безпечного зрошення:

наявність певної мети та завдань планування зрошення на різних ієрархічних рівнях як у просторі, так і у часі;

необхідність урахування закономірностей впливу просторово-часової мінливості структуроутворюючих та зовнішніх природних і антропогенних факторів на стан та розвиток ПАМС;

застосування комплексу статистичних, балансових та динамічних моделей природних і технологічних процесів, систем експертних оцінок для характеристики стану ПАМС;

дотримання екологічних вимог щодо мінімізації негативного впливу зрошення на грунти та навколищнє природне середовище;

багатокритеріальність та поліваріантність системи прийняття рішень на основі поєднання методів нормування, моделювання та експертних оцінок;

реалізація планування зрошення на всіх просторово-часових рівнях за допомогою комплексу інформаційно-обчислювальних систем.

Залежно від мети зрошення на різних рівнях функціонування ПАМС визначено вимоги до методів планування адаптивного зрошення. Так, на рівні зрошуваного поля та господарства, виходячи з цільової функції одержання економічно та екологічно обгрунтованої кількості сільськогосподарської продукції відповідної якості за умов збереження природних та матеріально-технічних ресурсів при плануванні зрошення сформульовано такі вимоги:

мінімізація впливу зрошення на грунти та навколишнє природне середовище на основі екологічного нормування зрошення за результатами оцінки грунтово-екологічного стану земель, моделювання змін показників родючості грунту за роки зрошення та комплексу грунтових режимів впродовж поливного сезону;

визначення строків та тривалості поливів з урахуванням технології зрошення (способу поливу, характеристик техніки поливу та зрошувальної мережі, виробничої здатності насосних агрегатів);

оптимізація поливів та внутрішньогосподарського водорозподілу з урахуванням поточних обсягів ресурсів, запрограмованого рівня врожаю, вартості витрат на зрошення та вирощування сільськогосподарських культур, закупівельних цін на сільськогосподарську продукцію, грунтово-екологічного стану земель та рівня ведення зрошуваного землеробства у господарстві.

Для реалізації запропонованих принципів та вимог за допомогою комплексу ІОС нами доповнено критеріальну базу управління зрошенням за рахунок групи кількісних та якісних критеріїв: природно-екологічних, технічних та економіко-соціальних.

Запропоновано такий комплекс природно-екологічних критеріїв: дотримання певного рівня вологозабезпечення сільськогосподарських культур для покриття дефіциту водоспоживання; мінімізація інфільтраційних втрат вологи за межі розрахункового шару грунту; оптимізація комплексу грунтових режимів та властивостей, дотримання рівноваги природних процесів у межах агроекологічних систем.

Технічні критерії враховують виробничі характеристики техніки поливу та пропускну здатність зрошувальної мережі.

Економіко-соціальні критерії полягають у одержанні максимального додаткового чистого прибутку від зрошення при умові мінімізації витрат на ведення зрошуваного землеробства з врахуванням організаційно-технічних умов та соціально-економічних факторів.

Принципи та вимоги до планування адаптивного екологічно безпечного зрошення реалізуються на основі наведеного комплексу критеріїв при вирішенні конкретних функціональних задач планування. Враховуючи особливості формування водопотреби і організацію водокористування, яка склалася на зрошувальних системах, управління зрошенням на кожному просторовому ієрархічному рівні включає сезонне стратегічне планування зрошення і водорозподілу, оперативне планування поливів і водорозподілу, оперативний і сезонний аналіз водокористування.

На риc. 3 зображено укрупнену блок-схему алгоритму планування адаптивного екологічно безпечного зрошення та вхідні інформаційні потоки.

Алгоритм планування адаптивного екологічно безпечного зрошення передбачає еколого-економічне обгрунтування прийняття рішень щодо стратегії ведення зрошення у господарстві на початку року, проведення поливів та внутрішньогосподарського водорозподілу впродовж зрошувального сезону.

На основі узагальнення літературних джерел та результатів наших експериментальних досліджень, надано характеристику існуючих та запропонованих типів поливних режимів (оптимальних екологічно безпечних, водозберігаючих, грунтозберігаючих, дефіцитних, адаптивних), обгрунтовано сферу їх застосування та сформовано відповідну нормативну базу для основних сільськогосподарських культур та типових грунтово-екологічних умов.

Для підвищення точності планування зрошення в умовах недостатнього ресурсозабезпечення удосконалено моделі розрахунку динаміки вологозапасів та врожаїв сільськогосподарських культур.

На основі аналізу та узагальнення результатів досліджень різних авторів та проведення наших теоретичних досліджень, розроблено модифікації воднобалансових моделей розрахунку динаміки вологозапасів грунту: багатошарової моделі Глюгла-Коіча та двошарової моделі, що використовується в ІОС “Полив”.

Модифікація зазначених моделей полягає в урахуванні вологообміну між шарами грунту та закономірностей відбору вологи коренями рослин у межах усього кореневмісного шару. Для цього у склад моделей водного балансу введено відповідні апроксимуючі залежності: визначення вологообміну між шарами грунту та розподілу щільності десукції вологи коренями рослин.

На основі обробки даних наших експериментальних досліджень та досліджень інших авторів для основних видів сільськогосподарських культур і різних грунтів, нами розроблено статистичні моделі зв'язку "врожай - вологозабезпеченість", що дають змогу прогнозувати втрати врожаїв від недополивів у різні фази розвитку сільськогосподарських культур.

Зазначені моделі пристосовані для використання у складі ІОС оперативного планування зрошення та враховують нагромадження втрат врожаїв при недополивах від початку зрошувального сезону.

Удосконалення системи прийняття рішень щодо водорозподілу при дефіциті водно-енергетичних ресурсів здійснено поєднанням імітаційного моделювання врожаїв сільськогосподарських культур при різних варіантах виконання поливів та системи експертних оцінок умов ведення зрошення на кожному полі господарства.

Експертна оцінка комплексу умов ведення зрошення (стан посівів, застосування добрив, грунтово-екологічний стан земель, стан техніки поливу та ін.) включена до системи визначення пріоритетів з метою впливу на прийняття рішень факторів, пов'язаних з незадовільним рівнем ведення зрошуваного землеробства у господарствах, які важко формалізувати.

Після експертної оцінки стану зрошуваних полів, пріоритети черговості водорозподілу пропонується визначати на основі економічної оцінки ефективності кожного з поливів, що залишились рекомендовані на даний момент. Ефективність поливу (Пit) визначається як різниця додаткового чистого прибутку від зрошення у разі його виконання та перенесення:

.

Значення додаткових чистих прибутків від зрошення сільськогосподарських культур при виконанні або перенесенні поливу визначають шляхом імітаційних розрахунків динаміки вологозапасів (W1, W2 ) та відповідних розрахунків імовірних втрат врожаю при недополивах (У1, У2) за моделями "врожай-вологозабезпеченість". Найвищий пріоритет надається полю, на якому рекомендований полив матиме найбільшу ефективність.

Для підвищення ефективності планування зрошення на конкретних об'єктах розроблено методологію ведення спеціального моніторингу, який замикає задачі планування зрошення у єдине ціле, поєднуючи оцінку результатів планування за розрахунковий період або зрошувальний сезон з коригуванням параметрів моделей та стратегій ведення зрошення при плануванні на наступний період або рік. В основу моніторингу покладено дані зворотнього зв'язку про ведення зрошення у господарстві, результати контрольних вимірювань вологи грунту під основними культурами та обліку їх врожаю.

Для реалізації моніторингу якості планування зрошення у складі ІОС обгрунтовано завдання та критерії оцінки якості виконання рекомендацій системи, точності моделювання природних процесів та ефективності водокористування, запропоновано методику адаптації параметрів моделей природних процесів та коригування стратегій ведення зрошення.

У сьомому розділі викладено результати розробки та оцінки ефективності впровадження ІОС планування зрошення, що реалізують у своєму складі принципи планування адаптивного екологічно безпечного зрошення.

Аналіз розвитку та досвід впровадження ІОС планування зрошення в Україні свідчить, що розробка кожного наступного покоління систем все більше відповідає принципам та вимогам адаптивного екологічно безпечного зрошення. Так, розроблена нами на початку 90-х років ресурсозаощадна версія ІОС оперативного планування зрошення - ІОС "Полив-2" дає змогу реалізувати оптимальні екологічно безпечні, водозберігаючі та грунтозберігаючі режими зрошення сільськогосподарських культур. Для реалізації відповідних типів режимів зрошення удосконалено нормативно-довідкову базу та модельний комплекс системи. При розрахунку динаміки вологості грунту враховуються закономірності відбору вологи коренями рослин з шарів грунту нижче розрахункового. У складі ІОС удосконалені також моделі розрахунку підживлення кореневмісного шару грунту близькими грунтовими водами та визначення випаровування з водної поверхні за методами Р.О. Баєра, С.І. Харченка та М.М. Іванова.

За замовленням Держводгоспу України та Черкаського УМС у 1998 р., нами було розроблено удосконалену модифікацію системи оперативного планування зрошення ІОС "Полив-2У", яка поєднує рекомендації з призначення норм і строків поливу на кожному полі господарства з непрямим водообліком за фактичним часом роботи дощувальної техніки та аналізом використання водних, енергетичних ресурсів та добрив. При цьому за допомогою ІОС паралельно виконуються розрахунки поливів за фактичними поточними умовами та в імітаційному режимі, коли вважається, що всі поливи та агротехнічні заходи виконують згідно з рекомендаціями.

Розроблені модифікації ІОС оперативного планування зрошення перевірялись нами у дослідно-виробничих умовах півдня України. Результати імітаційних розрахунків та дослідно-виробнича перевірка системи ІОС “Полив-2” свідчать про підвищення точності розрахунку динаміки вологості грунту, призначення строків та норм поливів та забезпечення певного водозбереження порівняно з попередньою версією системи. У ході виробничих приймальних випробувань ІОС “Полив-2” оцінювались якість вирішення окремих функціональних завдань системи.

У результаті аналізу даних розрахунку динаміки вологості та контрольних вимірювань термостатно-ваговим методом на 154 ділянках у АР Крим, 10 ділянках Херсонської області та 20 ділянках Одеської області, встановлено, що відносна похибка визначення вологозапасів у складі ІОС "Полив-2" не перевищувала ±±10% (при довірчій імовірності 0,85).

Аналіз точності прогнозу метеорологічних умов, що був виконаний за поливний сезон 1995р. за даними спостережень у Сакському УЗС свідчить, що відхилення добових величин прогнозної випаровуваності розрахованих за ІОС "Полив-2" порівняно з фактичними даними вимірювань з випаровувача ГГІ-3000 не перевищували ±±9% .

У цілому за поливний період відхилення прогнозованої величини випаровуваності від фактичних її значень становили за новою версією 2%, за попередньою - 16%. При цьому відхилення планових строків початку поливів визначених за ІОС "Полив-2" не перевищували ±±3 доби строків, розрахованих за фактичними метеорологічними умовами.

Розрахована величина поливних норм змінювалась у межах 35 - 50 мм та коригувалась згідно з обраними типами режимів зрошення (оптимальні, водозберігаючі, грунтозберігаючі).

Аналіз впровадження ІОС "Полив-2" показав, що внаслідок об'єктивних та суб'єктивних факторів 100%-го виконання рекомендацій не було досягнуто в жодному з господарств. Але навіть за умов значного дефіциту ресурсів в окремих господарствах, відповідно до рекомендацій ІОС "Полив-2", було виконано до 70% поливів, що сприяло підвищенню ефективності зрошуваного землеробства та раціональному використанню обмежених водно-енергетичних ресурсів.

Для оцінки ефективності виконання максимально можливого за умов сучасного виробництва числа рекомендованих поливів нами було розроблено спеціальну методику, що дає змогу порівнювати рівень використання водних та енергетичних ресурсів та імовірні втрати або приріст врожаїв при різних рівнях виконання рекомендацій ІОС "Полив-2". Для цього використовуються два варіанти розрахунку планів поливу: 1 - реальний (виробничий); 2 - ідеальний (імітаційний, який передбачає виконання всіх рекомендованих поливів). За першим варіантом розрахунків визначається фактичний відсоток виконання рекомендацій у господарстві та відсоток виконання рекомендацій з числа фактично виконаних поливів.

Загальні втрати від невиконання рекомендацій у кожному господарстві визначаються на основі розрахунку потенційного додаткового економічного прибутку, який може бути отриманий у разі 100%-го виконання рекомендацій. Тоді, ефект від впровадження системи у конкретному господарстві визначається як різниця між потенційно можливим додатковим прибутком від зрошення у господарстві з максимальним відсотком виконання рекомендацій системи та потенційним прибутком від використання системи у даному господарстві.

Для визначення потенційного прибутку від впровадження ІОС спочатку для базового (ідеального) та фактичного варіанту планування зрошення визначається планова водоподача, необхідні для її реалізації витрати електроенергії та за моделями зв'язку "врожай - вологозабезпеченість" розраховуються втрати врожаю сільськогосподарських культур порівняно з його проектним рівнем.

У результаті оцінки ефективності впровадження ІОС "Полив-2" у трьох господарствах Сакського району АР Крим, за розробленою нами методикою, встановлено, що навіть у складних умовах сучасного виробництва використання ІОС забезпечує економію до 30% водних та 34% енергетичних ресурсів, що при дефіциті водно-енергетичних ресурсів сприяє зменшенню недоборів врожаїв від недополивів та мінімізації розвитку негативних екологічних наслідків.

Враховуючи результати виробничих приймальних випробувань, міжвідомча приймальна комісія, рекомендувала ІОС “Полив-2” до широкого впровадження на зрошувальних системах у степовій та лісостеповій зонах України на будь-яких рівнях управління зрошенням (область, район, господарство). У 1996 - 1998 рр. площі впровадження системи сягали 500 тис. га.

Для подальшої реалізації методів планування адаптивного екологічно безпечного зрошення нами запропоновано розробку ІОС стратегічного планування зрошення з використанням еколого-економічних критеріїв для оцінки альтернативних стратегій ведення зрошення.

Для створення нової модифікації ІОС оперативного планування зрошення пропонується поширити склад функціональних задач системи та використати результати досліджень з розвитку теорії планування адаптивного екологічно безпечного зрошення та удосконалених модельного комплексу та системи прийняття рішень планування внутрішньогосподарського водорозподілу. Визначено перспективу створення контрольно-вимірювальної підсистеми для адаптації параметрів природних процесів до поточних умов ведення зрошення та розвитку сучасних комп'ютерних мереж зв'язку між користувачами та групами впровадження системи.

На основі вивчення закордонного досвіду та аналізу сучасного стану зрошення земель в Україні у нових економічних умовах розглянуто напрями удосконалення організації управління зрошенням, реалізація яких дає можливість поєднати інтереси держави, землекористувачів та управлінь зрошувальними системами. Запропонована організаційна структура управління зрошенням передбачає у своєму складі роботу консультативно-сервісної служби, яка поряд з комплексом послуг з експлуатації зрошувальних систем надає рекомендації з планування технологій зрошуваного землеробства, у тому числі на основі впровадження ІОС планування адаптивного зрошення.

Висновки

У дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання наукової проблеми удосконалення методів планування зрошення, що спрямоване на підвищення економічної ефективності та екологічної безпеки зрошуваного землеробства на основі адаптації норм водопотреби та параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур до просторово-часової мінливості природних, технічних, економічних та господарських умов функціонування ПАМС на різних ієрархічних рівнях (регіональному, локальному). За результатами досліджень можна зробити наступні висновки.

1. Доведено, що адекватне довгострокове стратегічне планування зрошення на регіональному рівні забезпечується при нормуванні водопотреби у зрошенні сільськогосподарських культур за такими принципами:

врахування просторово-часової мінливості кліматичних, грунтових та гідрогеологічних умов на основі їх типізації по території та визначення біологічно оптимальних норм водопотреби сільськогосподарських культур межах визначених типологічних областей;

коригування біологічно оптимальних норм водопотреби згідно з екологічними вимогами дотримання оптимального співвідношення між тепловим та водним балансами територій для забезпечення сприятливих умов грунтоутворення та рівноваги природних процесів у межах агроекосистем;

приведення оптимальних екологічно допустимих норм водопотреби у відповідність до технічних можливостей діючих зрошувальних систем та рівня їх ресурсозабезпечення.

2. Встановлено, що для зони Південного Степу України районовані за допомогою розробленого методу оптимальні екологічно допустимі норми водопотреби для зрошення основних сільськогосподарських культур підвищують точність нормування у середньому на 20-30%, порівнянно з укрупненими зональними нормативами, що свідчить про значні резерви економії водних ресурсів та потенціальні можливості підвищення ефективності зрошуваного землеробства.

3. Обгрунтовано необхідність диференціації параметрів режимів зрошення сільськогосподарських культур за грунтово-екологічним станом земель, який запропоновано визначати за відхиленнями показників гідрогеолого-меліоративних умов, водно-фізичних та фізико-хімічних властивостей грунту від вихідного та оптимального рівня. Для умов незадовільного грунтово-екологічного стану земель обгрунтовано вимоги до параметрів грунтозберігаючих режимів зрошення, які забезпечують підвищення продуктивності сільськогосподарських культур та мінімізацію розвитку деградації родючості грунту.

4. Розроблено метод визначення екологічно допустимих обсягів сезонної водоподачі на поля при поливах водою придатною для зрошення, який засновується на комплексному моделюванні показників родючості грунту та продуктивності сільськогосподарських культур залежно від параметрів техногенних навантажень (зрошення, система застосування добрив). За критерій нормування приймаються дотримання комплексного показника зміни родючості грунту у певних оптимальних межах за умов забезпечення стабільних рівнів врожаїв сільськогосподарських культур впродовж конкретного періоду експлуатації зрошувальної системи. При поливах водою обмежено придатною для зрошення на основі моделювання родючості грунту запропоновано визначати ступінь солонцюватості грунту та уточнювати оціночні показники якості поливної води.

5. За результатами імітаційного моделювання нестаціонарного одномірного вологопереносу встановлені екологічні безпечні поливні норми, що забезпечують мінімізацію інфільтраційних втрат вологи за межі розрахункового шару грунту на рівні середньодобової інфільтрації вологи у богарних умовах ( 0,1мм/добу) та враховують гранулометричний склад грунту, фази розвитку сільськогосподарських культур, інтенсивність добового водоспоживання. При поливах сільськогосподарських культур з неглибокою кореневою системою, або у перші фази розвитку рослин при глибині розрахункового шару до 0,5 м та невисоких рівнях добового водоспоживання - до 3,0 мм, екологічно безпечні норми для середньосуглинкових грунтів не перевищують 360м3/га. У напружених метеорологічних умовах при інтенсивності водоспоживання понад 5,0 мм та глибині розрахункового шару грунту понад 0,7 м, екологічно безпечними можуть бути поливні норми понад 500 м3/га.

6. Встановлено, що вплив різних варіантів зволоження грунту при поливах не є однозначним щодо оптимізації комплексу грунтових режимів та властивостей. Так, поливи нормами 50-60 мм порівняно з поливами меншими нормами забезпечують більш сприятливий тепловий, окислювально-відновлювальний та кислотно-лужний режими грунту при дотриманні вологозапасів у активному шарі на рівні 80-100% НВ та кращі умови аерації та біологічної активності грунту у діапазоні зволоження 75-100% від НВ.

Поливи невеликими нормами 30-40 мм при рівні зволоження грунту 75-100% сприяють дотриманню у оптимальному діапазоні інших грунтових режимів та властивостей: динаміки лужності, вмісту карбонатів, нітратів, структурного стану та щільності. У зв'язку з цим, рішення щодо екологічного нормування параметрів режимів зрошення за критерієм оптимізації комплексу грунтових режимів запропоновано приймати з урахуванням виду сільськогосподарських культур, фази їх розвитку, метеорологічних умов поточного року та особливостей ведення зрошення у господарстві.

7. Визначено принципи планування адаптивного зрошення, які засновується на врахуванні закономірностей просторово-часової мінливості внутрішніх структуроутворюючих та зовнішніх факторів функціонування ПАМС, дотриманні екологічних вимог щодо мінімізації негативного впливу на грунти та навколишнє природне середовище, застосуванні комплексу природно-екологічних, технічних, економічних критеріїв та експертно-імітаційного підходу при прийнятті управлінських рішень щодо проведення поливів сільськогосподарських культур та внутрішньогосподарського водорозподілу при дефіциті ресурсів.

8. Удосконалено та розвинуто нормативну базу, модельний комплекс та систему прийняття рішень інформаційно-обчислювальних систем довгострокового та оперативного планування зрошення для реалізації управління зрошенням на адаптивних екологічно безпечних засадах :

надано характеристику, визначено сферу застосування та сформовано для основних сільськогосподарських культур нормативну базу параметрів різних типів поливних режимів (оптимальних екологічно безпечних, водозберігаючих, грунтозберігаючих);

запропоновано узагальнені модифікації двошарової та багатошарової воднобалансових моделей, які уточнюють розрахунки динаміки вологості грунту при оперативному плануванні зрошення в умовах неоптимального зволоження за рахунок застосування емпіричних залежностей визначення гравітаційних та негравітаційних перетоків вологи, певних функцій відбору вологи коренями рослин з усього кореневмісного шару залежно від розподілу вологості по глибині;

запропоновано експертно-імітаційний метод для визначення пріоритетів внутрішньогосподарського водорозподілу при дефіциті водно-енергетичних ресурсів, що полягає у послідовному експертному оцінюванні умов ведення зрошення на кожному полі господарства (стану посівів, техніки поливу, родючості грунтів та ін.) та імітаційному моделюванні економічної ефективності рекомендованих поливів на основі застосування емпіричних моделей “урожай - вологозабезпеченість”, розроблених для різних грунтових умов та пристосованих до вимог оперативного планування зрошення;

для коригування параметрів моделей природних процесів та сезонних стратегій ведення зрошення у господарствах розроблено комплекс методик сезонної та оперативної оцінки якості планування зрошення, що засновується на порівнянні фактичної інформації з результатами розрахунків ІОС.

9. Розроблено ІОС оперативного планування зрошення - ІОС “Полив-2”, “Полив-2У”, які є удосконаленими модифікаціями системи ІОС “Полив” та реалізують методологію та нормативно-методичну базу планування адаптивного екологічно безпечного зрошення у наступній частині:

при моделюванні вологості грунту враховуються закономірності відбору вологи у розрахунковому шарі грунту;

реалізується планування оптимальних екологічно безпечних, водозберігаючих та грунтозберігаючих режимів зрошення;

застосовуються удосконалені моделі розрахунку та прогнозу випаровуваності з водної поверхні;

вирішуються задачі непрямого водообліку за фактичним часом роботи дощувальної техніки, оперативного та сезонного аналізу ефективності водокористування.

Дослідно-виробничі та приймальні випробування ІОС “Полив-2” у південних областях України довели підвищення точності планування та ресурсозберігаючий ефект від впровадження систем порівняно з попередньою її версією. За результатами аналізу виконання рекомендацій ІОС “Полив-2” у господарствах АР Крим встановлено, що ефективність впровадження системи досягається за рахунок економії до 30-34 %водно енергетичних ресурсів та підвищення врожаїв сільськогосподарських культур на 10-15% за рахунок уточнення планування поливів та водорозподілу при дефіциті ресурсів.

Подальший розвиток ІОС полягає у реалізації принципів планування адаптивного зрошення у складі ІОС стратегічного, річного та оперативного планування на основі розробки відповідних взаємопов'язаних експертно-імітаційних підсистем, що застосовують новітні технології збору, передачі та представлення інформації, впроваджуються консультативно-сервісними службами разом з наданням господарствам інших послуг з використання зрошуваних земель .

Список основних опублікованих праць за темою дисертації

Брошури

1. Остапчик В.П., Жовтоног О.И., Горбатенко С.В., Филиппенко Л.А., Деменкова Т.Ф. Руководство по использованию орошаемых черноземов: Препр./УкрНИИГиМ; РНТД-33 УССР 1018946-02-91.- К.: 1991. -С. 3-17, 49-59, 72-91.

2. Жовтоног О.И., Горбатенко С.В., Филиппенко Л.А., Деменкова Т.Ф. Инструкция по планированию почвосберегающих режимов орошения на черноземах: Препр./УкрНИИГиМ; РДИ 33-1018946-01-93 . - К.: 1993. - 40 с.

3. Ромащенко М.І., Жовтоног О.І., Філіпенко Л.А., Деменкова Т.Ф Методика планування оптимальних екологічно безпечних режимів зрошення: Препр./УкрНИИГиМ; - К.: 1997.- 43 с.

Статті у фахових виданнях

1. Кириенко Т.Н., Остапчик В.П., Жовтоног О.И. Основные принципы разработки почвозащитных режимов орошения //Орошаемые черноземы и их рациональное использование. - Новочеркасск: НПО "Мелиорация". - 1990. - С. 85-92.

2. Жовтоног О.И., Горбатенко С.В. Почвенно-экологическое обеспечение планирования технологий орошаемого земледелия //Охрана природы при мелиорации земель - К., 1991.-С.116-127.

3. Кириенко Т.Н., Бовсуновский В.И., Жовтоног О.И., Горбатенко С.В. Оценка влияния орошения на плодородие черноземов Степного Крыма //Мелиорация и водное хозяйство. - 1991.- №74. - С.3-7.

4. Жовтоног О.І., Горбатенко С.В. Оцінка впливу грунто-екологічних параметрів на точність планування режимів зрошення //Гідротехніка і меліорація в Україні. - 1994. - Вип.3, -С.88-94.

5. Жовтоног О.І. Інформаційно-обчислювальна система та ресурсозбереження //Водне господарство України. - 1996.- №2. С.13-12.

6. Жовтоног О.І. Еколого-економічне обгрунтування поливних режимів та водозабезпеченості зрошувальних систем //Актуальні проблеми водного господарства.- Рівне: УДАВГ.-1997.- С.26-28.

7. Жовтоног О. И., Филипенко Л. А., Деменкова Т. Ф. Методика оценки еффективности использования ИВС "Полив-2" //Меліорація і водне господарство. - 1997.- №84.- С. 25-32.

8. Жовтоног О.І. Експертно-імітаційний метод оптимізації внутрішньогосподарського водорозподілу //Меліорація і водне господарство. - 1998.- №85. - С.21-29.

9. Жовтоног О.І. Прогнозування стану родючості грунтів для цілей екологічного нормування зрошення //Агрохімія і грунтознавство - грунти - екологія -продовольство. - ч.ІІІ, Харків: 1998.- С.179-181.

10. Ромащенко М.І., Балюк С.А., Жовтоног О.І. Науково-методичні основи та система грунтово-екологичного забезпечення режимів зрошення //Агрохімія і грунтознавство - спец.випуск. - Ч.1. Харків: - 1998.-С.38-43.

11. Жовтоног О.І. Планування адаптивного екологічно безпечного зрошення // Вісник аграрної науки. - 1999.- №12.- С.62.

12. Жовтоног О.І., Філіпенко Л.А., Деменкова Т.Ф., Салюк А.Ф. Районування норм водопотреби у зрошенні основних сільськогосподарських культур на основі типізації агроекологічних умов //Аграрний вісник Причорномор'я, вип.3, Одеса: - 1999.- С.10-14.

13. Ромащенко М.І., Жовтоног О.І., Філіпенко Л.А. Обгрунтування екологічно безпечних поливних норм //Вісник аграрної науки.- 1999.- №11. - С.53-59.

14. Жовтоног О.І. Екологічне нормування зрошення на основі моделювання стану родючості грунту //Вісн. аграр. науки.- 2000.- №10.- С.57-62.

15. Жовтоног О.І., Салюк А.Ф., Деменкова Т.Ф., Філіпенко Л.А. Типізація територій за нормами водопотреби сільськогосподарських культур у зрошенні //Водне господарство України. - 2000.- №3 - 4. - С. 21-25.

16. Коваленко П.І., Жовтоног О.І. Сучасні проблеми іригації, дренажу та управління водними ресурсами // Вісник аграрної науки. 2000.-№1, - С. 50-56.

17. Жовтоног О.І., Філіпенко Л.А., Шостак І.К., Поліщук В.В. Сучасна концепція та методи управління зрошенням на рівні господарства в умовах недостатнього зволоження // Наукові основи землеробства в умовах недостатнього зволоження.- К.: 2001. - С. 89-92.

18. Zhovtonog O.I., Baliuk S.A. Quantitative estimation of antropogeneous evolution of irrigated soils fertility //ICID, Varna,:- 1994. Р. 219-222.

19. Zhovtonog O. Ecological rationing of irrigation for conservation of natural resources and optimization of agricultural production //Рrotection of natural resources in agriculture of Central and Eastern Europe, Research Institute for Soil and Water Conservation, Prague,: - 1998.-Р.131-135.

20. Alijev K., Jatzik N., Kovalenko P., Mikhajlov Yu., Zhovtonog O. Country position paper. Ukraine // Strategy for Implementing Sector Vision: Water for Food and Rural Development. New Delhi.: -2000.- Р.437-443.

21. Kovalenko P., Mikhailov Yu., Zhovtonog O., Filippenko L. Strategy of water resources use in irrigated agriculture of Ukraine // Water resources Management in the 21-st Century, Proceedings, Budapest.:- 2000.-Р.135-143.

22. Остапчик В.П., Жовтоног О.І., Філіпенко Л.А. Інформаційно-обчислювальні системи планування зрошення // Сучасний стан, основні проблеми водних меліорацій та шляхи їх вирішення. - К.: Аграрна наука. - 2001. С. 113-118.

23. Коваленко П.И., Жовтоног О.И., Гринь Ю.И. Филиппенко Л.А., Драчинская Э.С., Шевченко А.Н., Черепанов В.С. Производство сельскохозяйственных культур на орошаемых землях //Концепция развития агрофирмы "Шахтер" арендного предприятия "Шахта им. А.Ф. Засядько" /Под ред. Е.Л. Звягильского, чл.-корр. УААН В.А. Головко, акад. УААН П.И.Коваленко, В.С.Цыкова и др. - Харьков: РИП "Оригинал". - 2000. -С.187-219.

24. Kovalenko P., Mikhajlov Yu, Zhovtonog O. Water Resources Management in Ukraine //ERWG letter №9. Bonn: - 2000.-N1.-Р.11-13.

25. Kovalenko P., Zhovtonog O. Sustainable Irrigation management in Transition Economy //ERWG letter ICID. Bonn: №1.- 2001. P. 11-12.

26. Жовтоног О.І., Поліщук В.В., Яцюк З.Ф. Модель урожаю кукурудзи на силос для планування зрошення в умовах значного дефіциту ресурсів // Меліорація і водне господарство. - 2001.- №87 . -С. 40-50.

Размещено на Allbest.ru