Информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек

Актуальность темы

В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008;2012 годы предусмотрено проведение мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения. Важное место при охране и рациональном использовании земельных ресурсов занимает защита почв от эрозии. По данным Минэкономразвития и торговли в Российской Федерации на 1 января 2007 года водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий, из них 95% расположено в бассейнах малых рек.

Защита почв от эрозии является важнейшим звеном в системе адаптивноландшафтного земледелия. Многочисленными исследованиями доказано, что применение агромелиоративных мероприятий позволяет предотвратить эрозионные процессы на склоновых землях. Научно обоснованный выбор комплекса агромелиоративных мероприятий предполагает использование современных моделей эрозии почв. Среди существующих моделей эрозии наиболее приемлемыми для практического применения являются эмпирические. В тоже время эмпирические модели не позволяют производить прогнозирование процесса эрозии и недостаточно учитывают особенности процесса смыва почв на склоновых землях. Для обоснования эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий необходим синтез эмпирических и физико-математических моделей, что позволит проводить прогноз интенсивности водно-эрозионных процессов. Надежность принимаемых решений может быть повышена за счет использования современных геоинформационных систем (ГИС).

Целью работы является разработка информационной технологии поддержки принятия решений для обоснования выбора эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек.

Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи: — выполнить анализ существующих информационных систем, применяемых для обоснования агромелиоративных мероприятийизучить современные модели, позволяющие рассчитать потери почв при водной эрозии на склонахвыбрать и усовершенствовать эмпирическую модель эрозии почв с учетом фактических условий снеготаянияразработать методику создания цифровой модели территории для прогнозирования процесса эрозии почвразработать и реализовать комплексную модель и методику прогнозирования потерь почвы на склоновых землях в период весеннего снеготаянияразработать методику и технологию автоматизированного выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на склоновых землях.

Научная новизна: разработана информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий с учетом особенностей процесса снеготаяния на склоновых землях бассейнов малых рекустановлена корреляционная зависимость коэффициента стаивания снежного покрова от фазы снеготаяния для условий Южного Подмосковьяразработана методика расчета единичного гидрографа речного стока для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаянияразработана методика принятия решений на основе сценарных исследований по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на землях с различными уклонами.

Основные положения, выносимые на защиту: комплексная модель для прогноза потерь почвы со склонов при весеннем снеготаянии, основанная на синтезе моделей водоотдачи снежного покрова, аккумуляции талых вод в почве, склоновой эрозииметодика прогнозирования интенсивности эрозионных процессов при весеннем снеготаянии на основе разработанной комплексной модели и цифровой модели территории речного бассейнаметодика расчета единичного гидрографа для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаянияинформационная технология поддержки принятия решений по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности эрозионно-опасных склоновых земель.

Методика исследований основана на анализе и обобщении натурных исследований Института фундаментальных проблем биологии РАН (ИФПБ РАН), отечественных и зарубежных публикаций, статистической обработке массивов данных Росгидромета, применении современных программных средств работы с картографической информацией (ArcGIS 9.2) и базами данных (MS ACCESS), программировании и математическом моделировании.

Научная гипотеза: Разработка информационной технологии поддержки принятия решений на основе ГИС водосборного бассейна и математического моделирования вводно-эрозионных процессов позволит повысить обоснованность выбора агромелиоративных мероприятий.

Практическая значимость. Разработанная технология обеспечивает информационную поддержку землепользователю при выборе рационального варианта аг- ' ромелиоративных мероприятий с учетом почвенных и морфометрических характеристик рельефа, фактических и прогнозируемых условий снеготаяния.

Результаты исследований использовались в лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН, а также при составлении ежегодных отчетовГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии по программе РАСХН по теме 03.02.02.1 «Разработать технологии и мероприятия по снижению техногенной нагрузки на водные объекты АПК» и в отчетах по Государственному контракту от 07 ноября 2005 г. № 02.434.11.7026 «Исследование эрозионных процессов и разработка концепции рационального использования эрозионно-опасных земель «Эрозия».

Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы, постановке программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научно-исследовательских работ, проведении численных экспериментов, обобщении результатов исследованийразработке методик, на основании которых осуществляется выбор эффективных агромелиоративных мероприятий, проведении агроэколо-гической компоновки земель для малого балочного водосбора.

Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002;2006 годах, результаты исследований и основные положения были доложены на: Межрегиональной конференции МКИД «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» (г. Москва, 8−10 сентября 2004 г.), Международной конференции: «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Москва, ВНИИГиМ, 30 марта 2005 г.), Международной научной конференции молодых ученых «Молодые ученые — аграрной науке» (Москва, МСХА им. К. А. Тимирязева, 1−2 июня 2005 г.), заседании отдела Гидрологии Института водного хозяйства и управления бассейнами рек (Университет Карлсруэ, ФРГ, июль 2005 г.). Работа рассматривалась и обсуждалась на Научном семинаре Лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино, 5 июля 2007 г.).

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 1 — в журнале, рекомендованном ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, изложена на 150 страницах основного текста, включая 37 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 205 наименований, в том числе 43 работы зарубежных авторов.

Выводы.

1. Анализ публикаций показал, что в Российской Федерации 12,6 млн. га пашни расположены на склоновых землях в бассейнах малых рек, где ежегодно в результате водной эрозии теряется 1,5 млрд. тонн почв, 18−20 млн. тонн питательных веществ, что приводит к деградации земель и снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности склоновых земель необходимо проведение агромелиоративных мероприятий. Обоснование мероприятий предполагает детальное изучение природных условий, прогноз развития эрозионных процессов с применением современных математических моделей, оценку эколого-экономической эффективности предлагаемых мер. Принятие эффективных решений при выборе агромелиоративных мероприятий возможно только с использованием современных информационных технологий.

2. Предложена комплексная модель прогнозирования эрозионных процессов, включающая синтез модулей расчета водоотдачи снежного покрова, аккумуляции' талых вод в почве, склоновой эрозии. Использование данной модели позволяет учитывать особенности процессов формирования, поверхностного стока, определяющего интенсивность эрозионных процессов в период весеннего снеготаяния на склоновьгх землях. Прогноз фактических условий снеготаяния осуществляется с использованием данных о температурном режиме воздуха, температуре и влажности почв, количества выпавших осадков за период весеннего снеготаяния.

3. Расчет динамики водоотдачи при снеготаянии предложено выполнять на основе коэффициентов стаивания) снежного покрова. Для установления, коэффициентов стаивания была разработана методика расчета единичного гидрографа. Методика, может бьгть использована для прогнозирования речного стока в, половодье в природных условиях Нечерноземной зоны. В результате исследований получены численные значения коэффициентов' стаивания снежного покрова для условий Южного Подмосковья и установлена их корреляционная зависимость от фазы снеготаяния. Установлено, что для главной фазы снеготаяния коэффициент составил 3,5 mm/°G в день, осеннего и зимнего периода — 2,5 и 0,75 мм/°С в день соответственно.

4. Разработана методика прогнозирования1 эрозии почв при весеннем снеготаянии на основе комплексной модели с использованием созданной с помощью ГИС цифровой модели территории. Методика позволяет выполнить визуализацию исходных и прогнозных данных, дать пространственную оценку интенсивности эрозионных процессов.

5. Предложена методика принятия? решений по обоснованию выбора комплекса противоэрозионных агромелиоративных мероприятий на основе сценарных исследований. Назначение мероприятий производится последовательно для всех элементов склонов с учетом фактического размещения возделываемых культур. В качестве экологических ограничений использованы допустимые потери почвы, принимаемые с учетом типа почвы и степени ее смытости.

6. Разработана информационная технология поддержки принятия решений по выбору эффективных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек. Технология включает следующие этапы: сбор исходной информации по климатическим, гидрологическим, почвенным условиям речного бассейнаматематическую обработку исходной информации и создание базы данных ГИС речного бассейнареализацию комплексной модели эрозии почв с помощью пакета прикладных программ, ее адаптация к конкретным условиям водосборапрогноз и расчет возможных потерь почвы с водосбора на основе разработанной методики при заданных условиях снеготаяния и различных сценариях использования земель в бассейненазначение агротехнических мероприятий и схем размещения сельскохозяйственных культур.

7. Информационная технология апробирована на примере бассейна малой реки Любожихи. Осредненные по водосборному бассейну результаты оценки потерь почвы по среднемноголетним климатическим данным показали, что максимальные потери почв с задернованных участков составляют 0,18 т/га, на залесённых участках — 0,06 т/га. На склоновых землях с уклонами поверхности до 3° для несмытых и слабосмытых почв потери почв с зяби не превышают 3 т/га, для среднеи сильносмытых — до 5 т/га. При уклонах более 5° на всех видах почв смыв с зяби превышает допустимые потери — 5 т/га. Сравнение результатов расчета с фактическими данными показало, что отклонения не превышают 17%.

8. Для оценки экологической эффективности агромелиоративных мероприятий в условиях бассейна р. Любожихи в соответствии с разработанной методикой принятия решений выполнены сценарные исследования с применением комплексной модели. Рассмотрены варианты: 1 — зяблевая вспашка- 2 — глубокая безотвальная вспашка- 3- глубокая безотвальная вспашка при возделывании озимых культур- 4 — щелевание в сочетании с возделыванием озимых культур- 5 -возделывание многолетних трав. По результатам моделирования для среднемноголетних значений склонового стока при зяблевой вспашке превышение допустимых норм смыва почв отмечено' на 33% площади. В' результате глубокой-безотвальной вспашки площадь" земель, на которых был зафиксирован недопустимый смыв, составила 24%. При глубокой безотвальной вспашке в сочетании с возделыванием озимых культур превышение допустимого смыва почв наблюдается на 13% исследованных земель, щелевание сокращает площадь сельскохозяйственных земель с недопустимым смывом до 7%. При возделывании многолетних трав смыв почвы не превышал допустимые значения.

9. В результате исследований разработана агроэкологическая группировка земель для' малого балочного водосбора и обосновано применение эффективных агромелиоративных мероприятий в зависимости от крутизны склонов. На землях с уклонами 1−2° рекомендована зяблевая вспашка поперек склона, при уклонах 2−3° — глубокая безотвальная вспашка или глубокое рыхлениепри уклонах 3−5° щелевание на фоне зяблевой вспашки с полосовым посевом культурпри уклонах 5−8° залужение и проведение щелеванияпри уклонах более 8° предложено использование земель в качестве естественных сенокосов.

10. Применение разработанного комплекса агромелиоративных мероприятий на склоновых землях обеспечивает снижение потерь почв до допустимых пределов и ежегодное сохранение в среднем 0,2 т/га гумуса в пахотном слое. Расчетный эколого-экономический эффект за счет снижения потерь гумуса на склоновых землях составляет 375 руб/га. Сравнение затрат показывает, что срок окупаемости дополнительных агромелиоративных мероприятий составляет 2−3 года.