Строительство и архитектура/ 6.Землеустроительство.

Гусева И.Ю., д.с-х.н. Терлеев В.В.

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Программный комплекс поддержки принятия управленческих решений в рациональном землепользовании

К одной из наиболее актуальных задач современной сельскохозяйственной практики относится внедрение передовых технологий точного земледелия, позволяющего существенно повысить урожайность сельскохозяйственных культур и снизить расходы на производство. Для решения комплексной задачи по одновременному учету влияния агрохимических и агрофизических факторов на продуктивность агроэкосистем необходимо точно оценивать характер взаимодействия почвы и содержащейся в ней влаги. Такие абиотические межфазные взаимодействия в почве с участием воды описывает водоудерживающая способность почвы или основная гидрофизическая характеристика почвы (ОГХ) – зависимость между влажностью почвы и потенциалом влаги.

В Отраслевых строительных нормах [1] указывается, что в целях определения влагопереноса на объектах орошения и двойного регулирования в почвенных образцах следует определять ОГХ. Определение ОГХ позволяет получить большинство предусмотренных нормативами водно-физических показателей почвы, необходимых для достоверной оценки состояния и обоснования рационального землепользования в агропромышленном комплексе (АПК) и мелиоративном строительстве [2].

Существенная пространственная неоднородность почвенно-растительного комплекса в границах любого объекта обусловливает высокую стоимость и значительную трудоемкость отбора почвенных и растительных образцов и проведения их лабораторных анализов. Данное обстоятельство приводит к необходимости поиска и разработки альтернативных методов информационной поддержки предпроектных изысканий для решения задач природообустройства. Проблема состоит в высокой трудоемкости гидрофизического исследования и существенных финансовых затратах на его проведение. Поэтому предпочтение отдается методам, которые опираются на минимальное количество исходных данных, получение которых обеспечивается регулярно проводимыми гидрометеорологическими стандартизованными измерениями [3].

На данный момент существуют двумерные модели влагопереноса, которые рассматривают почву как однородное пористое тело и не учитывают внутрипочвенные физические процессы [4-7]. Математические модели почвенно-гидрологических характеристик, построенные на основе физических представлений о закономерностях межфазных абиотических взаимодействий в почве с участием воды, являются эффективным инструментом изучения водного режима почв, обеспечивают достоверные расчеты динамики почвенной влаги.

Создание динамической модели влагопереноса с учетом основной гидрофизической характеристики почвы позволит рассчитать движение жидкости в почве в трехмерном пространстве, а также отдельно рассматривать движение жидкости в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Уникальность разрабатываемой модели заключается в учете эффекта гистерезиса ОГХ [8]. Эта особенность позволяет отслеживать изменение влажности почвы в реальном времени, то есть при любых погодных условиях и с учетом наличия любой мелиоративной (дренажная, оросительная) системы. Программа позволяет проводить расчеты как в условиях иссушения, так и увлажнения; делать более достоверные прогнозы влагообеспеченности почвы; получать оценки водно-физических показателей почвы с более высокой точностью, опираясь на существенно сокращенный набор исходных данных.

Существенная пространственная неоднородность почвенно-растительного комплекса в границах любого объекта обусловливает высокую стоимость и значительную трудоемкость отбора почвенных и растительных образцов и проведения их лабораторных анализов. Данное обстоятельство привело к необходимости поиска и разработки альтернативных методов информационной поддержки предпроектных изысканий для решения задач природообустройства. Проблема состоит в высокой трудоемкости гидрофизического исследования и существенных финансовых затратах на его проведение. Поэтому предпочтение было отдано методам, которые опираются на минимальное количество исходных данных, получение которых обеспечивается регулярно проводимыми гидрометеорологическими стандартизованными измерениями.

Однако в настоящее время наиболее популярным и достаточно эффективным подходом к идентификации параметров моделей водоудерживающей способности почвы (без использования дорогостоящих экспериментальных данных о зависимости между влажностью почвы и потенциалом влаги) является использование так называемых педотрансферных функций (ПТФ). Данные функции в большинстве источников представляют собой множественную линейную регрессию, которая позволяет конвертировать доступные данные о физических и химических характеристиках почвы в другие (менее доступные) данные [4-7]. В качестве факториальных признаков ПТФ широко используются текстура и плотность сложения почвы (ПС), а также содержание органического вещества в почве (ОВ). Использование ПТФ в России вполне возможно, так как два факториальных признака ПС и ОВ являются показателями, измеряемыми в России по стандартным методикам. Вместе с тем, в ПТФ используются данные о почвенной текстуре в соответствии с классификацией Агрономического Департамента США (USDA), отличающейся от принятой в России классификации гранулометрического состава почвы по Качинскому [9]. В связи с этим автором разработан метод, который опирается на построение кумулятивной кривой распределения элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) по размерам на основе данных о фракциях гранулометрического состава по классификации Качинского с последующим расчетом фракций USDA.

Тем не менее, данные о содержании фракций ЭПЧ по классификации Качинского нередко оказываются также недоступными, а имеются лишь сведения о наименовании текстурной разновидности почвы. Естественной альтернативой данным о текстуре, является набор почвенно-гидрологических констант (ПГК). На практике нередко приходится сталкиваться с ситуациями, когда такой набор также оказывается неполным. Это требует разработки метода оценки недоступных ПГК для их дальнейшего использования в расчетах параметров модели влагопереноса в почве [8, 10, 11]. Такой подход существенно упростит и удешевит проведение полевых и лабораторных исследований.

Для достоверного обоснования и информационной поддержки гидромелиоративных и агротехнических мероприятий в производственном секторе агропромышленного комплекса, для решения актуальных эколого-экономических задач рационального использования природных ресурсов необходима компьютерная система моделирования динамики влагопереноса, позволяющая достоверно оценивать изменения влажности почвы и почвенного потенциала, применимая для решения задач земледелия и землепользования.

Разработанная программа позволяет рассчитать и наблюдать процесс динамики влаги в почве, оценивать изменение уровня грунтовых вод, учитывая при этом эффект гистерезиса в изменении влажности почвы. В расчетах могут быть учтены пространственная неоднородность почвы по глубине, наличие различного вида дрен, оросительных систем и установок, грунтовых вод, эффектов капиллярного поднятия, испарения и корневого стока. Модель влагопереноса реализована на основе конечноразностной схемы второго порядка точности. Математическая модель допускает работу в одномерной, двумерной и трехмерной системах координат.

Кроме того, программный комплекс позволяет строить зависимость ОГХ и наблюдать эффект гистерезиса. Для расчета использован современный отечественный подход к физико-статистической интерпретации параметров моделей гидрофизических характеристик почвы, который может быть осуществлен по двум вариантам набора входных данных.

Первый вариант представляет собой визуализацию ОГХ, основанную непосредственно на наборе введенных параметров модели.

Второй вариант – ввод данных о почве, полученных опытным путем. В программе осуществлена возможность использования как отечественной (Качинского), так и зарубежной (USDA) классификаций грансостава, что позволяет использовать значительный набор зарубежных данных.

Разработанный программный комплекс представляет собой систему информационной поддержки гидромелиоративных и агротехнических мероприятий в производственном секторе агропромышленного комплекса. Разработанное ПО позволяет:

· решать эколого-экономические задачи рационального использования природных ресурсов;

· обосновывать принятие инженерно-мелиоративных решений в природообустройстве, при проектировании и возведении различных гидротехнических сооружений с учетом экономической целесообразности и экологической допустимости;

· рассчитывать и наблюдать процесс динамики влаги в почве; оценивать изменение уровня грунтовых вод, учитывая при этом эффект гистерезиса в изменении влажности почвы.

Существенным является возможность учета в расчетах пространственной неоднородности почвы по глубине, наличия различного вида дрен, оросительных систем и установок, грунтовых вод, эффектов капиллярного поднятия, испарения и корневого стока. Модель влагопереноса реализована на основе конечноразностной схемы второго порядка точности. Программный комплекс прошел апробацию на данных, полученных в результате полевых и лабораторных исследований почвенных образцов, взятых на полях Меньковской опытной станции Агрофизического НИИ Россельхозакадемии.

Литература

1. Отраслевые строительные нормы. Инженерные почвенно-мелиоративные и ботанико-культуртехнические изыскания. Разработаны Федеральным государственным унитарным предприятием "Специализированный научный центр "Госэкомелиовод" Минсельхоза России. 2003.

2. Глобус А.М. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэкологических математических моделей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 427 с.

3. Шеин Е.В., Дембовецкий А.В., Губер А.К. Педотрансфункции: получение, обоснование и использование. Почвоведение. 1999. №11. c. 1323-1331.

4. Gupta, S.C., and W.E. Larson. Estimating soil water retention characteristics from particle-size distribution, organic matter percent, and bulk density. Water Resour. Res. 1979. 15 (6): 1633-1635.

5. Haverkamp R, M Vaclin, J Touma, PJ Wierenga, and G Vachaud. 1977. A comparison of numerical simulation model for one-dimensional infiltration. Soil Sci. Soc. Am. J. 41:285-294.

6. Saxton K.E., W.J. Rawls, J.S. Romberger, and R.I. Papendick. Estimating generalized soil-water characteristics from texture. Soil Sci. Am. 1986. J. 50:1031-1036.

7. Vereecken H., J. Maes, J. Feyen, and P. Darius. Estimating the soil moisture retention characteristic from texture, bulk density, and carbon content. Soil Science. 1989.

8. Терлеев В.В. Математическое моделирование в почвенно-гидрологических и агрохимических исследованиях (Учеб. пособие) СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005. 104 с. (Математика в политехническом университете. Вып. 7).

9. Воронин А.Д. Основы физики почв.- М.: МГУ, 1986.– 244 с

10. Полуэктов Р.А., Опарина И.В., Терлеев В.В. Три способа расчета динамики почвенной влаги // Метеорология и гидрология.– 2003.– № 11. – С. 90 - 98.

11. Крылова И.Ю. «Почвенно-гидрологическое обоснование мероприятий по инженерной подготовке территорий», Материалы по изучению русских почв. Вып 6 (33): Сб.науч.докл./под ред. Б.Ф. Апарина. – СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2009. – 152 с.

12. ГОСТ 12071-84 «Грунты отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов»

13. ГОСТ 12536-79 «Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава»