Жовтоног О.І. Принципи та методи планування адаптивного зрошення

Краткое содержание

У  п е р ш о м у   р о з д і л і  на основі аналізу сучасних проблем ведення зрошення в Україні, узагальнення нових науково-методологічних підходів до управління природно-агромеліоративними системами, обгрунтовано необхідність та визначено напрями розвитку теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення.

Складність розв'язання проблеми планування зрошення на великих зрошувальних системах в Україні зумовлюється необхідністю врахування значної кількості природних факторів, що характеризуються закономірною та стохастичною просторово-часовою мінливістю. До закономірних змін у природному середовищі можна віднести: зональну мінливість дефіциту природного зволоження; варіацію грунтового покриву на регіональному та локальному рівнях; регіональну та локальну варіацію еколого-меліоративних умов. До факторів стохастичної імовірної природи відносяться: просторовий та часовий розподіл опадів; інтенсивність сонячної радіації; сезонна динаміка метеорологічних елементів.

Розв'язання проблеми планування зрошення поряд с труднощами адекватного відображення природних процесів ускладнюється також нестабільністю та різноманіттям господарських, технічних та економічних умов.

У працях засновників меліоративної науки В.І. Віл'ямса, В.В. Докучаєва, О.М. Костякова вказується на необхідність застосування комплексного системного підходу до вивчення природного середовища та антропогенної діяльності як єдиного цілого. Однак, тривалий час впродовж широкомасштабного розвитку меліорації земель методологія планування зрошення грунтувалась головним чином лише на досягненні мети одержання стабільно високих врожаїв сільськогосподарських культур.

У  працях В.Є. Алексієвського, Т.М. Антипової, С.А Балюка, С.Т. Вознюка, В.В. Гамаюнової, А.І. Голованова, Е.С. Драчинської, В.А. Духовного, Б.О. Зимовця, Л.В. Кірейчевої, П.І. Коваленка, В.А. Ковди, І.П. Кружиліна, Б.С. Маслова, В.В. Медведєва, Ю.О. Михайлова, Г.В. Новикової, Л.М. Рекса, Н.М. Решеткіної, М.І. Ромащенка, В.С. Снігового, О.Г. Тараріки, І.Д. Філіп'єва, Б.Б. Шумакова, В.О. Ушкаренка та інших вказується на недостатність зазначеного спрощеного методологічного підходу та обгрунтовується необхідність детальнішого врахування закономірностей взаємодії меліоративної діяльності людини з природним середовищем.  При цьому як об'єкт управління зрошенням пропонується розглядати природно-агромеліоративні системи (ПАМС), що не тільки використовуються, але й активно змінюються, взаємодіють з природним середовищем та виробничою сферою.

Паралельно з розвитком методології управління зрошенням багатьма поколіннями вчених-меліораторів розроблялися теорія та методи планування зрошення. Аналіз методів планування зрошення, розроблених у 1950–1990-х рр. дав змогу визначити певні етапи їх розвитку від обгрунтування зональних режимів зрошення сільськогосподарських культур до моделювання комплексу природних і технологічних процесів у складі інформаційно-обчислювальних систем (Айдаров І.П., Алпатьєв А.М., Алпатьєв С.М., Багров М.М., Баєр Р.О., Голованов О.І., Галямін Є.П., Гарюгін Г.А., Голченко М.Г.,  Граматікаті О.Г., Григоров М.С.,  Данильченко М.В., Ковальчук П.І. Константинов О.Р., Косова Л.О., Костяков О.М.Кружилін І.П., Льгов Г.К., Ліхацевич А.П., Міхєєв Є.К.,  Михайлов Ю.О., Ольгаренко В.І., Остапчик В.П., Писаренко В.А., Полуектов Р.О., Рекс Л.М., Ромащенко М.І., Собко О.О., Столяров О.І., Харченко С.І., Шаров І.А., Шпак І.С., Штаковський А.В., Штойко Д.О., Ципріс Д.Б., Черемісінов О.Ю., Шумаков Б.А, Шумаков Б.Б., Ушкаренко В.О., Юрченко І.Ф., Ярмізін Д.В. та ін.).

В основу більшості відомих методів планування зрошення, що використовуються у країнах далекого зарубіжжя, покладено модель розрахунку евапотранспірації Х.Л.Пенмана або її модифікації. В Європі найбільш визнані інформаційні системи планування зрошення, розроблені ФАО – CROWAT та CIMIS, а також модель Королівського метеорологічного офісу (Великобританія) – MORECS. У США для цих цілей застосовується модель USDA – ARS , розроблена М.Е. Єнсоном та моделі Д.І.Стеварда та М. Хагана. В останні десятиріччя набули розвитку інформаційні системи планування зрошення, що містять комплексні  динамічні моделі природних процесів у середовищі “грунти – рослина – атмосфера” та системи прийняття рішень, що використовують економіко-математичні моделі (R.J. Bailey, P. Droogers, C. A.Van Diepen, L.S.Pereira та ін.).

Нині у зв'язку з розвитком нових концептуальних підходів до меліорації земель, зміною економічних та екологічних умов ведення зрошення формується новий етап розвитку методів планування зрошення, що характеризується використанням та узагальненням усього попереднього досвіду щодо цієї проблеми для вирішення конкретних прикладних задач управління ПАМС.

На основі узагальнення існуючих методів планування зрошення нами виконано їх класифікацію  залежно від методологічних та методичних підходів, застосованих при їх розробці. Всі існуючі методи планування зрошення, мають ряд недоліків, що за певних умов значно впливають на точність управління та ефективність зрошення.

Методи планування зрошення, що використовуються у виробництві, недостатньо враховують технологію поливу, технічні характеристики зрошувальної системи, екологічний стан земель, напрями розвитку грунтоутворювальних процесів, поточний обсяг ресурсів, господарські умови ведення зрошуваного землеробства.

Однак, основним недоліком існуючих методів планування зрошення є відсутність комп-лексного еколого-економічного обгрунтування управлінських рішень щодо поливів та водорозподілу на основі вивчення просторово–часової мінливості стану та умов функціонування ПАМС.

Для розв'язання проблеми розвитку теоретичних основ та удосконалення методів планування зрошення нами обгрунтовано  завдання досліджень з вивчення закономірностей просторово-часової мінливості природних та антропогенних факторів, що визначають стан функціонування ПАМС у зоні зрошення в Україні.

У   д р у г о м у   р о з д і л і   надається характеристика природних умов на об'єктах, методологічна основа та методика проведення досліджень.

Вивчення закономірностей функціонування природно-агромеліоративних систем та окремих процесів у їх межах виконувалось нами у період 1986-1998 рр. на основі проведення власних експериментальних досліджень та використання результатів стаціонарних дослідів інших наукових установ – Інституту грунтознавства та агрохімії  (ІГА), Інституту овочівництва та баштанництва (ІОБ), Інституту зрошуваного землеробства (ІЗЗ), Кам'янсько-Дніпровської дослідно-меліоративної станції (КДДМС) у зоні зрошення в Україні. Коефіцієнти природного зволоження у межах зони досліджень змінюються від 0,36 до 0,60,  середньобагаторічні суми річних опадів 300–500 мм, суми випаровуваності 580 - 770 мм. Варіація фізико-географічних умов по всій зоні досліджень зумовлює значні відмінності дефіцитів водоспоживання сільськогосподарських культур, що змінюються по території у 2,2 – 3,0 рази.

Роки досліджень за рівнем природного зволоження характеризувалися як посушливі, середньопосушливі, вологі та середні.

Грунти зони досліджень представлені з півночі на південь чорноземами типовими (понад 10% усієї площі зрошуваних земель), звичайними (понад 30%), південними (понад 20%) та лучно-чорноземними грунтами (понад 5%). Крім зональних відмінностей грунти на об'єктах дос-ліджень різняться за гранулометричним складом, водно-фізичними, фізико-хімічними та агрохімічними властивостями.

Гідрогеологічні умови на об'єктах також відзначалися значною різноманітністю. Грунтові води слабосолоні та солоні з високим рівнем залягання спостерігалися у межах територій, що характеризуються недостатньою природною дренованістю та незадовільним рівнем експлуатації зрошувальних систем. Глибокі рівні грунтових вод (понад 20 м) спостерігалися головним чином на водороздільних інтенсивно дренованих територіях.

Мінералізація води у джерелах зрошення на об'єктах досліджень коливалась у межах 0,3–2,0 г/л та різнилась за хімічним складом.

Просторова різноманітність кліматичних, грунтово-екологічних умов та широкий діапазон зміни дефіциту водоспоживання сільськогосподарських культур по об'єктах і роках досліджень забезпечують репрезентативність та обгрунтованість одержаних наукових результатів.

Методологія досліджень базувалась на системному підході та сучасній концепції меліоративної діяльності (Айдаров І.П., Антипова Т.М., Голованов О.І., Гурін В.А., Духовний В.А., Кружилін І.П,  Лазарчук М.О.Ольгаренко Г.В., Парфенова Н.І., Рекс Л.М., Решеткіна Н.М., Рокочинський А.М.,  Хачатурян В.Х.,  Шабанов В.В., Шумаков Б.Б. та ін.), що розглядає як об'єкт управління зрошенням ПАМС в цілому та окремі її підсистеми на різних рівнях просторової ієрархії (сільськогосподарська культура - поле; сівозміна, господарство - агроекосистема; зрошувальна система - агроландшафт). При обгрунтуванні структури зазначених підсистем було враховано основні фундаментальні поняття про систему: цілісність, структурність, взаємозалежність з навколишнім середовищем, ієрархічність та інше.

На рис. 1 наведено схему функціонування ПАМС на нижньому ієрархічному рівні – сільськогосподарському полі. Дослідження ПАМС на цьому рівні мали за мету удосконалення методів планування режимів  зрошення сільськогосподарських культур з точки зору збільшення додаткового чистого прибутку від зрошення за умов економії ресурсів та збереження родючості грунтів.

Для реалізації загальнометодологічного принципу системного підходу застосовано метод системного аналізу як на рівні звичайної логіки, експертного оцінювання, так і кількісної формалізації наукових знань за допомогою математичних моделей та ЕОМ.

Дані факторних експериментів обробляли за допомогою дисперсійного, регресійного аналізів та з використанням інших методів варіаційної статистики (визначення закону розподілу