Информационные системы и модели планирования водопользования в мелиорации

Научно-технические разработки в области информационных технологий планирования водопользования

В России и за рубежом существует множество разнообразных информационных систем и моделей оперативного планирования орошения, реализуемое качество управления в которых зависит от технического уровня средств коммуникации, вычислительных ма шин, а также от того, насколько точно комплекс применяемых мо делей и расчетных методов отражает процессы, происходящие на полях в конкретных почвенно-климатических условиях.

В ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии разработана мате матическая модель для оптимального распределения водных ре сурсов при их дефиците, включающая в себя систему математиче ских моделей оперативного планирования водораспределения со сложной иерархической структурой.

«Система программированного выращивания урожаев» (СПВУ), разработанная в главном информационно -вычислительном центре Россельхозакадемии включает в себя блок для расчета влажности почвы и режимов орошения. Исходная информация со держит данные о метеорологических условиях, осадках, стадии развития растений, на основании которой, с применением уравне ния водного баланса, рассчитывается влашобеспеченность растений и величина поливных норм в конкретные временные интервалы.

ВНПО «Радуга» в 1988 г. разработана и внедрена технологиче ская служба оперативного управления поливами (ОУП) на внутри хозяйственных системах с площадью обслуживания до 30 тыс. га.

В 1990 г. на оросительных системах Казахстана Казахским НИИ водного хозяйства проводились под руководством Р.А. Квана раз работка и внедрение основ оперативного управления поливами и организации водопользования.

Аналогично решается задача управления орошением в регио нальной системе оперативного планирования поливов, разработан ной в ФГБНУ «РосНИИПМ».

С помощью созданной в 1990 г. АСУ ОС управление орошени ем впервые осуществляется на основе динамической модели вод ного режима и урожайности сельскохозяйственных культур. В 2002 г. разработаны программные средства и система информаци онно-технологической поддержки служб эксплуатации ороситель ных систем по управлению процессами водопользования и водораспределения (Щедрин В.Н., Яновский А.С., Колганов А.В.).

Опытно-производственная проверка методик и программ по оперативному управлению использованием оросительной воды в хозяйствах, разработка и внедрение методики по оперативному планированию и корректировке внутрихозяйственного водопользо вания проводились в 1988 г. (Ольгаренко В.И.).

Работы по оперативному управлению поливами с 1988 г. прово дились ВНИИ комплексной автоматизации мелиоративных систем (руководитель разработок Е.Г. Крушель). Рассматривался комплекс задач оперативного планирования водопользования на ороситель ных системах Крымского УОС Краснодарского края. Разработано программное обеспечение комплексов задач оперативного плани рования и управления технологическими процессами на уровне Крымского РУ ОС и Ленинградского РПО «Полив».

Комплексная физико-статистическая модель, разработанная М.Г. Санояном, учитывает динамику роста корневой системы и агрометеорологические условия влагообмена в среде обитания растений. Решение основано на функциональной зависимости:

W = Ф (МЛ,Б), где W —влагозапасы почвы;

Ф —символ функциональной зависимости;

М, П, Б - соответственно показатели метеорологических, поч венных и биологических факторов для расчетного периода.

Данная модель представляет собой систему, в которой объединены вероятностно-статистические модели, обобщающие материалы специально поставленных многофакторных экспериментов, а также детерминированные модели, описывающие физические законы формирования их параметров.

Система стохастических и детерминированных математических моделей В.В. Шабанова позволяет оценить влияние на развитие растений водного и радиационного режимов посевов, почвенных влагозапасов и определить проектный режим орошения на основе решения уравнения водного баланса.

А. Ю. Черемисиновым предложена модель для расчета эксплуатационных режимов орошения в условиях Центрально-Черноземной зоны, которая позволяет учитывать влияние изменчивости климатических факторов на суммарное испарение.

В. П. Остапчиком и В.А. Костроминым приведены схемы решения задач оперативного планирования режимов орошения на крупных орошаемых массивах с помощью ЭВМ. Описанный комплекс моделей успешно прошел производственную проверку в Киевской, Херсонской областях Украины и Крыму.

Ю.А. Израэлем и О.Д. Сиротенко разработана имитационная система «климат-почва-урожай».

В.В. Альт (СибФТИ) в своих работах отмечает необходимость всемерного развития применения информационных технологий в сельскохозяйственном производстве России.

Аналогичные модели разрабатываются за рубежом, где значительное внимание уделяется вопросам повышения эффективности управления орошением. В последние годы разработаны центральная система ISS, а также региональные системы управления:

• Irrigat
• ISI
• IMS
• СIMIS
• AGMET
• VISP

Модели предусматривают получение информации о параметрах поля, возделываемой культуре, оросительной системе и общих климатических показателях, позволяют управлять поливами на оросительных системах различных типов при различной структуре севооборотов с учетом конкретных почвенно-климатических условий.

Информационно-советующая система оценки мелиоративного и агрохимического состояния орошаемых севооборотных участков (ФГУ «Управление Саратовмелиоводхоз», ИСС «Участок») предназначена для оценки показателей состояния мелиорируемых земель Поволжья на наименее разработанном локальном уровне для отдельных орошаемых полей хозяйства, базирующаяся на принципах геопространственности и комплексности.

Космический мониторинг и ГИС: как оценить состояние поля сверху

Для эффективного управления поливом агроному необходима оперативная информация обо всех участках хозяйства. Сегодня эту задачу решают географические информационные системы (ГИС) и данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Они позволяют отказаться от приблизительных расчетов и планировать орошение на основе реального состояния почвы и растений.

На уровне конкретного поля оценить ситуацию помогает информационно-советующая система (ИСС) «Участок». Программа анализирует качественные агрохимические и мелиоративные показатели почвы и подбирает оптимальные условия для выращивания полевых культур. Благодаря совместимости форматов, данные из этой системы легко объединяются с региональными базами ГИС-мониторинга.

• База данных ИСС «Участок» — 14 реляционных файлов
• Формат файлов системы — dBase IV
• Старт активного развития ГИС — 1987 год

Снимки из космоса незаменимы для точного земледелия, где важен постоянный контроль состояния вегетации. Сельскохозяйственные культуры на космических снимках не скрыты другими объектами, растут в один ярус и отлично дешифрируются. Это дает агрономам возможность мгновенно реагировать на любые отклонения в развитии растений на больших площадях.

Методы ДЗЗ сегодня активно применяют в агропромышленном комплексе США, Канады, стран Евросоюза, Индии и Японии. В России разработка аналогичной системы ведется в рамках Государственной программы развития сельского хозяйства. Отечественная космическая система позволит централизованно вести мониторинг земель сельскохозяйственного назначения.

Планирование орошения: как рассчитать норму полива

Регулирование водного режима — это поиск баланса между высокой продуктивностью культур, экономией воды и экологической безопасностью. Орошаемое земледелие сложнее поддается математическому расчету, чем другие технологические процессы в растениеводстве. Водопотребление постоянно меняется под влиянием множества факторов.

Сложность планирования полива обусловлена следующими причинами:

• сильной зависимостью от почвенно-климатических условий и случайных погодных факторов;
• высокой степенью безвозвратного использования воды;
• рассредоточением водопотребителей на больших площадях;
• неравномерностью водопотребления во времени и необходимостью согласования поливов с потребностями культур.

Чтобы поддерживать влажность почвы в оптимальном диапазоне и экономить ресурсы, требуется оперативная информация. Современное математическое моделирование позволяет автоматизировать этот процесс. Для расчета управляющих воздействий на поле компьютерным системам необходимы объективные данные по ряду показателей:

• фактическое выпадение осадков;
• режимы проведения поливов;
• динамика испарения влаги;
• особенности влагообмена в зоне аэрации;
• агроклиматические условия и влагозапасы почвы.

Широкое распространение получили методы, где климат учитывают через среднесуточную температуру воздуха, влажность воздуха, радиационный баланс, суммарную радиацию и длину дня. Эти данные позволяют автоматизировать расчеты. Однако на практике математическую модель необходимо адаптировать под условия конкретного поля.

Почему расчеты режима орошения дают ошибку до 30%

При планировании поливов агрономы часто сталкиваются с тем, что теоретические расчеты не совпадают с реальной влажностью почвы. Недостаточная точность эмпирических параметров в расчетных формулах ведет к ошибкам в поливных нормах до 30%. Традиционные методы оценки оптимального увлажнения не учитывают, как снижение влажности почвы замедляет процесс испарения.

Большинство используемых методик основано на уравнениях связи водного и теплового балансов. Проблема в том, что эмпирические коэффициенты в этих уравнениях принимаются за постоянную величину. В реальности они меняются при изменении влагообеспеченности поля. Кроме того, формулы не могут надежно учесть фазу развития культуры и особенности ее водопотребления при разной влажности корнеобитаемого слоя.

На разных этапах роста избыток или дефицит влаги по-разному влияет на прирост биомассы и интенсивность испарения. При малых запасах влаги в почве водопотребление культуры закономерно снижается, а при оптимальных — расчетные методы показывают удовлетворительные результаты. Для повышения точности необходимо оценивать, как именно меняется потребность культуры в воде в течение сезона.

• Предельная ошибка в расчетах режима орошения — 30%
• Различие испарения и испаряемости в разные годы — от 10% до 30%

Метод биологических кривых: как учесть фазы развития и климат

Использование биологических кривых (или биологических коэффициентов культур) считается наиболее обоснованным методом нормирования орошения. Он связывает воедино погодные условия, запасы влаги в почве и особенности развития растений. Построение таких кривых по экспериментальным данным выполняют в два этапа.

1. Строят семейство кривых зависимости биологических коэффициентов от влажности почвы отдельно для каждой фазы развития растений.
2. На основе полученных данных строят итоговые кривые, максимальные ординаты которых отражают динамику водопотребления культуры в процессе онтогенеза.

В идеальных условиях такие кривые должны быть универсальными для культуры. Однако на практике биологические коэффициенты становятся зональными (биоклиматическими) и меняются в зависимости от времени и территории. Например, оценка их изменчивости в засушливых условиях показывает, что в сухие годы дефицит влажности воздуха растет гораздо быстрее суммарного испарения. Прямолинейная зависимость между ними нарушается.

Главная сложность расчетов заключается в непредсказуемом сочетании температур и дефицита влажности воздуха в разные годы, даже в одну и ту же фазу роста. Кроме того, на точность влияет значительная изменчивость климата по декадам и погрешности полевых измерений. По этой причине любая эмпирическая формула расчета орошения остается сугубо региональной и эффективно работает только в тех природных условиях, для которых она была разработана.

Для повышения устойчивости коэффициентов вариации и точности расчета предлагается использовать относительные показатели, которые отражают характер водопотребления в соответствии с:

• ритмами развития растений;
• изменением климатических факторов в их комплексном взаимодействии.

Ш. Угрехелидзе предложено уравнение, учитывающее изменение коэффициентов биологической кривой с учетом биологических особенностей сельскохозяйственных культур, почвенных условий, влажности почвы и основных метеорологических факторов.

Изменение биоклиматических коэффициентов по зонам и во времени вносит элемент неопределенности при выборе их величины для расчета водопотребления биоклиматическим методом. Факторы, определяющие их величину:

• урожай сельскохозяйственных культур;
• плодородие почвы;
• уровень применяемой агротехники;
• техника полива.

Исследования Э.А. Струнникова подтверждают изменчи вость биоклиматических коэффициентов, описываемую степенной зависимостью, с изменением показателя степени от нуля до едини цы. Изменчивость биоклиматических коэффициентов как про странственная, так и временная, объясняется рядом причин: созда нием в среде растений своеобразного фитоклимата, динамикой ис парения с почвы при различном ее увлажнении, особенностями процесса испарения в контрастных климатических зонах, резкими изменениями погоды в одной и той же климатической зоне. С це лью повышения точности расчетов для различных почвенноклиматических условий необходимо рассчитать семейство регио нальных кривых водопотребления основных культур. Существен ное значение имеет при этом изучение закономерностей изменчи вости биологических коэффициентов во времени, поскольку по годные условия в отдельных климатических зонах страны имеют резкие колебания во времени и пространстве.

По мнению В.П. Остапчика, основной причиной простран ственной изменчивости коэффициентов является недостоверность исходных данных, пространственная изменчивость влагозапасов, осадков, влагообмена активного слоя с подстилающими слоями, степень сухости окружающей территории, неучет всплесков испа рения после поливов, а также использование пропорциональной связи между испарением и дефицитом влажности воздуха. Усо вершенствование методики может заключаться в использовании коэффициентов, учитывающих влияние на испарение таких факто ров, как скорость ветра, влажность почвы, всплески испарения, размеры орошаемых полей.

В.Б. Местечкиным установлено, что биологические коэф фициенты (Кб) подчиняются географической зональности, убывая с увеличением засушливости климата от 0,7 до 0,2. Использование фиксированных наборов биологических коэффициентов для расче тов водопотребления в почвенно-климатических неоднородных регионах приводит к ошибкам, достигающим 50%. Во избежание таких ошибок в регионах, для которых отсутствуют эксперимен тальные данные, следует пользоваться при расчетах пространст венной интерполяцией, методика которой разработана в зависимо сти от сумм дефицитов влажности воздуха.

М.Г. Голченко и В.И. Вихровым уточнена биоклимагическая модель водопотребления с учетом нелинейной связи, а также скоро сти ветра, увеличения эвапорации, изменения урожайности по укосам многолетних трав. При этом отклонения рассчитанных величин сум марного испарения от измеренных не превышали 12,4%.

Установлено, что величина биоклиматических коэффициентов, соответствующих дефициту влажности воздуха и испарению с водной поверхности, возрастает при переходе от южных регионов к северным. Различия в уровне влажности почвы приводят к разной величине биоклиматических коэффициентов даже на участке с одинаковыми климатическими условиями. Поэтому с целью увели чения точности расчетов предлагается дифференцировка коэффи циентов по климатическим зонам с учетом влагообеспеченности посевов.

Биоклиматические коэффициенты отражают влияние на водораспределение двух факторов: биологических ритмов развития и метеорологических условий. Зависимость биоклиматических ко эффициентов от погодных условий устанавливается по отклонени ям фактических значений биоклиматических коэффициентов и среднесуточных дефицитов влажности воздуха от средних их значений. Установлено, что биоклиматические коэффициенты зависят от уровня урожайности.

С.А. Яковлев предложил переходные коэффициенты, по зволяющие получать величину водопотребления в годы с различ ной влагообеспеченностью по характеристикам изменения средних многолетних расчетных норм водопотребления. Эти величины представляют собой отношение величин водопотребления в задан ный год к величине водопотребления в «средний» по обеспеченно сти год.

Модель биоклиматических коэффициентов для расчета эксплуа тационных режимов орошения в условиях Центрально черноземной зоны предложена А.Ю. Черемисиновым. В осно ве ее - биоклиматический метод, уточненный при учете изменчи вости биоклиматических коэффициентов в зависимости от измен чивости метеорологических условий. Для расчета используется информация о температуре и влажности воздуха, виде и фазе раз вития сельскохозяйственных культур, влагообеспеченности по севов, средняя относительная ошибка расчетов составляет + 10, 7.... + 14, 2%.

В ряде моделей для повышения точности расчетов учитывается влияние влагообеспеченности посевов на суммарное испарение, причем эта зависимость принята прямолинейной. Авторы считают, что различия в уровне влажности почвы оказывают влия ние на величину суммарного испарения даже при одинаковых кли матических условиях. Поэтому уточнение методики расчета сво дится к оценке влияния влагообеспеченности посевов на биологи ческие коэффициенты и суммарное испарение.

А.И. Михальцевичем и А.Е. Жуковым предложена модель расчета суммарного испарения, позволяющая учитывать влияние влагосодержания почвы и фазы развития сельскохозяйственных растений.

Методика расчета водопотребления сельскохозяйственных культур (автор Л.Г. Балаев) позволяет учесть разные уровни уро жайности и увлажнения, а также нелинейность связи между сум марным испарением и климатическими факторами. Кроме того, она позволяет рассчитать суммарное испарение для конкретных клима тических, почвенно-гидрологических условий региона и биологи ческих особенностей сельскохозяйствеиных культур.

Ю.Ф. Душаткиным подтверждено, что соотношение между ис паряемостью с водной поверхности (Ew) и суммарным испарением (ЕТ) с орошаемого поля зависит от влагозапасов в почве. Связь между Ew и ЕТ прямолинейна до некоторого критического значе ния влажности почвы (WKp), выше которого она приобретает криво линейный вид.

Аналогичные модели разрабатываются за рубежом, где также уделяется большое внимание вопросам повышения эффективности управления орошением.

В последние годы разработана централизованная система ISS, а также региональные системы управления Irrigat, ISI, IMS, СIMIS, AGNET, VISP. Модели предусматривают получение информации о водно-физических свойствах почвы орошаемого по ля, возделываемой культуре, типе оросительной системы, гидроме теорологических условиях. Информационно-советующие системы для управления поливами позволяют планировать поливы на оро сительных системах с учетом особенностей структуры севооборо тов, конкретных почвенно-климатических и погодных условий. С использованием уравнений Х.Б. Блейни-В.Д. Криддла, ПристлиТейлора, Х.Л. Пенмана, Л. Тюрка разработаны системы, которые дают возможность определять потенциальную эвапотранспирацию, дефицит почвенной влаги, оптимизировать режим орошения сель скохозяйственных культур на основе комплексной информации о метеорологических, почвенных и агрономических условиях.

Для перечисленных моделей базовая информация включает в себя название хозяйств, код возделываемой культуры и участка, даты посева, КПД поливной техники, максимальные запасы дос тупной влаги в корнеобитаемой зоне почвы. Метеорологическая информация содержит данные о солнечной радиации, температуре воздуха и точки росы, скорости ветра, дефиците влажности воздуха и т.д., текущая информация - данные о дате предыдущего полива, допустимом снижении запасов влаги в данную фазу вегетации культуры, дате выпадения последнего дождя в течение расчетного периода, количестве влаги, поступившей с осадками и поливом за рассматриваемый период.

По мнению авторов, одним из существенных недостатков рас четных методов является отсутствие количественной информации о влиянии влагообеспеченности посевов на суммарное испарение.

В реальных условиях производства при высокой стоимости мате риально-технических и энергетических ресурсов, а также экологи чески щадящих режимах орошения, поддерживать влажность корнеобигаемого слоя на оптимальном уровне не всегда представляет ся целесообразным и возможным, В связи с этим одинаковые пе риоды развития растений могут в разные годы проходить при раз личной влагообспеченности. С целью увеличения точности расчета суммарного испарения в таких случаях необходимо учитывать его депрессию при недостаточной влагообеспеченности.

Таким образом, проведенный анализ и результаты исследований ФГБНУ ВНИИ «Радуга» дают возможность сформулировать кон цепцию, утверждающую, что только разработка методов расчета, использующих комплексную информацию о метеорологических, почвенных, гидрогеологических условиях, биологических особен ностях сельскохозяйственных культур, влажности почвы в сочета нии с применением закономерностей статистического анализа и теории вероятностей для оценки характера изменчивости гидроме теорологических факторов, может служить практической основой для рациональной организации управления поливами, обеспечи вающей высокую эффективность и экологическую безопасность технологий орошения.

Основные принципы совершенствования методики планирова ния орошения, заключаются в следующих положениях.

Рационализация водопотребления в сельском хозяйстве пред ставляет собой одну из важнейших проблем, так как применение необоснованно завышенных оросительных норм приводит к нару шению водного режима и гидрохимического равновесия, дополни тельному питанию грунтовых вод, их подъему, вымыванию из поч вы минеральных и органических соединений и ухудшению эколо гической обстановки. Для обеспечения рационального потребления оросительной воды при проведении поливов требуется точное оп ределение степени влагообеспеченности конкретного поля. Это позволяет своевременно назначать очередной полив, контролиро вать влагозапасы, расходование воды на образование урожая и не допускать непродуктивных потерь ее на поверхностные и глубин ные сбросы.

2, Управление режимом поливов сводится к определению поч венных влагозапасов орошаемого участка на начало и конец расчетного периода. Если инструментальное определение количества осадков, метеорологических показателей вполне доступно, то ин струментальное определение влажности почвы не может обеспе чить объема информации, необходимого для массовой корректи ровки поливных режимов, Поэтому изменение влагозапасов опре деляют по уравнению водного баланса с расчетом суммарного ис парения на основе математических моделей.

Главные требования, предъявляемые к моделям, заключаются в необходимости достаточно точного отражения изменений режима влажности посевов. В качестве параметров корректировки должны выступать данные, поддающиеся методам статистического анализа, которые можно получить в массовых наблюдениях воднобалансовых и агрометеорологических станций, простота их реализации.

Любая компьютерная программа для управления поливом работает эффективно только тогда, когда в нее заложены точные исходные данные. Для построения надежной математической модели важно правильно выбрать параметры, которые описывают движение влаги в почве. Нужно знать, как меняется водный режим посевов при колебаниях погоды, изменении поливных норм и схемы подачи воды на конкретный участок.

Точность расчетов упирается в два показателя: суммарное испарение и влагообмен в зоне аэрации. При этом связь между нехваткой влаги в почве и снижением испарения нелинейна. Растения в разные фазы развития реагируют на дефицит воды по-разному, и эту изменчивость необходимо перевести в точные математические зависимости.

Традиционные полевые опыты не позволяют отделить биологические особенности культуры от влияния погоды, так как метеоусловия во время исследований накладываются на фазы развития растений. Чтобы решить эту проблему, необходима усовершенствованная методика полевых экспериментов. Она должна показать, как именно меняются биоклиматические коэффициенты при изменении погоды.

Что необходимо исследовать для точного моделирования

Чтобы математические модели давали агроному точные рекомендации для управления орошением, требуются полевые исследования с последующим статистическим анализом. Эксперименты должны решить следующие задачи:

• Количественно оценить, как погода и водный режим почвы влияют на суммарное испарение и урожайность культур.
• Получить точные данные об интенсивности влагообмена в зоне аэрации и структуре водного баланса посевов при различных метеорологических условиях.
• Изучить структуру теплоэнергетического баланса посевов, чтобы точно оценить влияние погоды в разные фазы развития растений на суммарное испарение и формирование урожая.