Введение к работе
Актуальность проблемы. Изменение условий хозяйствования в процессе реформирования экономики значительно обострило проблему повышения эффективности земледелия на мелиорируемых землях. Как показывает отечественный опыт и опыт развитых стран мира, решение этой проблемы следует искать в сфере применения научно-обоснованных схем рационального природопользования и высоких технологий выращивания сельскохозяйственных культур. Магистральным направлением научно-технического прогресса в области управления процессом орошения и формирования урожая на орошаемых землях является разработка и применение информационных технологий, математических моделей и имитационных схем, отображающих реальные процессы выращивания сельскохозяйственных культур.
Проблема повышения эффективности орошения на протяжении многих лет была в центре внимания многих видных ученых нашей страны. Различным аспектам ее решения посвятили свои труды И.С.Шатилов, Б.Б.Шумаков, И.ПАйдаров, С.М.Алпатьев, А.И.Голованов, И.П.Кружилин, В.В.Шабанов, О.Г.Грамматикати, Г.Е.Листопад, А.С.Образцов, Н.С.Петинов, В.Е.Райнин, Л.М.Рекс и др. Однако несмотря на огромный вклад, который внесли эти ученые в развитие мелиоративной науки, применяемые методы обоснования мелиоративных мероприятий, особенно таких мощных средообразующих воздействий, каким является орошение, пока не позволяют формализовано учитывать весь комплекс показателей, характеризующих физиологию сельскохозяйственных культур, свойства почв, пищевой режим, погодные условия, конструкцию оросительной сети, технические особенности поливной техники, ограниченность ресурсов. Следствием этого является недобор урожая, излишние затраты, снижение плодородия почв и ухудшение мелиоративного состояния орошаемых земель.
Актуальность разработки теории и компьютеризированной технологии управления орошением с применением эколого-физиологических моделей на современном этапе развития мелиоративной науки обусловлена необходимостью создания оросительных систем нового поколения, позволяющих исполь-
2 зовать достижения научно-технического прогресса и новые знания в смежных областях науки для практической реализации идеи высокоэффективного, и экологически чистого земледелия на орошаемых землях.
Цель и задачи исследований. Целью исследования является разработка научных основ и технологий управления процессом формирования урожая на орошаемых землях.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие основные задачи:
анализ сложившейся практики планирования поливов, определение тенденций развития научно-технического прогресса в области управления орошением;
исследование и разработка теоретических вопросов оптимального управле-
ния орошением;
исследование теоретических проблем моделирования продукционного процесса сельскохозяйственных культур;
разработка комплекса математических имитационных моделей и оптимальных технологических схем планирования и управления процессом орошения сельскохозяйственных культур, в том числе реализация авторегуляторной модели формирования урожая сельскохозяйственных культур;
разработка компьютеризированной системы управления орошением с использованием эколого-физиологических имитационных моделей формирования урожая сельскохозяйственных культур;
анализ и практическая оценка адекватности функционирования предлагаемых моделей и системы в целом.
Объектом исследования являются агроценозы и технологии планирования режимов орошения и выращивания сельскохозяйственных культур на орошаемых землях. Предмет исследования - процессы управления орошением и формированием урожая в условиях орошения.
Методология исследований. Теоретической и методологической основой выполненных исследований являются классические труды В.И.Вернадского, В.В.Докучаева, А.Н.Костякова, В.Н.Сукачева, Н.В.Тимофеева-Ресовского и др., а также материалы конференций и совещаний по програм-
з мированию урожая на орошаемых землях, семинаров по проблеме "Погода, урожай, математика", работы отечественных и зарубежных специалистов по мелиорации и управлению орошением, моделированию агроценозов, физиологии растений.
В процессе исследований получены следующие результаты, которые содержат научную новизну и выносятся на защиту:
-
Теоретические основы технологии оперативного управления поливами на основе моделирования процессов роста и адаптации растений к воздействию природных и техногенных факторов.
-
Оптимизация режима орошения сельскохозяйственных культур, основанная на интеграции (сопряжении) оптимального режима орошения полей севооборота и оптимального распределения воды на оросительной системе.
-
Комплекс эколого-физиологических моделей формирования урожая орошаемых сельскохозяйственных культур, включающих авторегуляцию продукционного процесса и формирования органов растений по управляемому водному фактору.
-
Компьютеризированная технология оперативного управления орошением.
Научная значимость работы состоит в оригинальной разработке и практической реализации компьютеризированной технологии управления формированием урожая на орошаемых землях, отличающейся тем, что в ее основе лежит впервые созданный автором комплекс эколого-физиологических моделей и информационно-логических процедур принятия решений по выращиванию сельскохозяйственных культур, позволяющий увязать особенности продукционного процесса и адаптационных свойств растений с технологическими возможностями оросительной системы в единую схему оптимального оперативного управления орошением.
Предлагаемый комплекс моделей и процедур позволяет использовать его для расчета критических значений предполивной влажности почв, определения сроков поливов и поливных норм с учетом качества оросительной воды, пищевого режима, конструктивных особенностей оросительной системы, в том числе поливной техники.
Достоверность научных результатов. Разработанный комплекс моделей и процедур базируется на фундаментальных положениях биологии, агрономии, мелиоративного земледелия, гидравлики, прикладной математики и системного анализа. Результаты исследований подтверждаются натурными и численными экспериментами, а также результатами опытного функционирования компьютеризированной технологии управления орошением.
Практическая значимость работы. Выполненные исследования создают строгую методологическую основу для проектирования технологий управления орошением, а разработанное математическое обеспечение позволяет тиражировать подобные технологии. Система управления орошением по агрометеопараметрам с учетом мелиоративного состояния земель позволяет повысить урожайность, оптимально использовать все виды ресурсов и рационально эксплуатировать оросительные системы.
Результаты исследований могут быть использованы проектными и производственными организациями для планирования режимов орошения, водо-потребления и урожайности сельскохозяйственных культур. Компьютеризированная технология управления орошением может быть реализована на любой оросительной системе путем создания соответствующей базы данных, включая геоинформационное отображение системы полей, каналов, трубопроводов, насосных станций и поливной техники.
Реализация работы. Основные результаты исследований использованы в проектах оросительных систем Северного Кавказа (САПР, Севкавгипро-водхоза), в системах прогнозирования урожайности с применением аэрокосмических методов (Краснодарский край), при создании компьютеризированных систем управления орошением в совхозах Омской области (объединение "Омский бекон") и Узбекистана (совхоз им.Сигизбаева), а также в учебных целях (Кишеневский государственный университет).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции ВАСХНИЛ "Теория и практика программирования урожаев сельскохозяйственных культур" (Новочеркасск, 1978г.), Всесоюзной школе-семинаре по кормопроизводству (Нарва-Йесу, 1978г.), Всесоюзной школе молодых ученых и спе-
5 циалистов по агрометеорологии (Тбилиси, 1980г.), Всесоюзных семинарах "Погода, урожай, математика" (Нальчик, 1978г.; Валдай, 1983г.; Днестровск, 1985г.), Биофизическом съезде АН СССР (МГУ, Москва, 1982г.), на семинарах секции "Биологические системы" Московского общества испытателей природы (МОИП, 1980, 1981 и 1984 гг.), Всероссийском совещании "Экологические основы орошаемого земледелия (ВНИИГиМ, Москва, 1992г.), а также на международных семинарах по проблемам моделирования агроэкосистем (Москва, 1993г.; Мюнхеберг, 1994г.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 4& печатных работах и монографии.
Структура и объем работы. Диссертация содержит 255 страниц основного текста, 5S рисунк^28 таблиц и состоит из введения, 5 глав, выводов; библиография включает 439 наименований.
В диссертации представлены результаты исследований, выполненных лично автором, под его руководством и при его непосредственном участии за период с 1975 по 1996 гг., в том числе во ВНИИГиМ (1984-1996 гг.) в составе работ по решению крупной народно-хозяйственной проблемы "Программирование урожая на орошаемых землях" (раздел "Комплексное регулирование факторов жизни растений"), по программам "Плодородие почв", "Мелиорация" и по проекту "Ресурсосберегающие гидромелиоративные системы".
