Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Биоклиматическое обоснование необходимости орошения и осушения земель бассейна реки Русизи

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Биоклиматическое обоснование необходимости орошения и осушения земель бассейна реки Русизи"

На правах рукописи

НИЙОНЗИМА НЕСТОР

БИОКЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОРОШЕНИЯ И ОСУШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ БАССЕЙНА РЕКИ РУСИЗИ (РЕСПУБЛИКА БУРУНДИ)

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук ' ^ НОЯ ^ии

005540654

Москва — 2013

005540654

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустроиства»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Шабанов Виталий Владимирович ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустроиства»

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Добрачев Юрий Павлович, заведующий отделом ГНУ «ВНИИГиМ имени А.Н. Костикова» РАСХН, Москва

- кандидат технических наук, доцент Глазунова Ирина Викторовна ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустроиства», доцент кафедры комплексного использования водных ресурсов

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов», Москва

Защита состоится 24 декабря 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.01 ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, дом 19, аудитория 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московского государственного университета природообустройства.

Автореферат диссертации размещен на официальных сайтах ВАК РФ, ФГБОУ ВПО МГУП и разослан 2 О ноября 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного ^^

совета, кандидат технических наук урикова Т.И.

♦

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы. Продовольствие и вода являются основными источниками жизни на планете Земли. Известно, что проблема нехватки продовольствия актуальна, особенно для развивающих стран и стран «третьего мира». В настоящее время более 900 миллионов человек на Земле недоедают и 30 % из них проживают в странах Африки к югу от Сахары [доклад о продовольствии ФАО,2011]. Главной проблемой республики Бурунди, в данное время, является проблема продовольствия. Это одна из главных причин различных болезней и высокой смертности (10 чел на 1000 жителей в 2010 году) и особенно детской (62 на 1000 новорожденных в 2010 году).

В Бурунди существуют два сезона в году: сухой и влажный сезон. Во время сухого сезона (июнь-сентябрь) практически никакой сельскохозяйственной продукции не производится. Основной объем продовольствия производится во влажный период, к концу сухого сезона продовольствие кончается. Причин нехватки продовольствия множество и они разнообразны. Некоторые исследователи считают, что на первом месте стоят демографические причины. Статистика показывает, что численность населения увеличивается на 3% в год, поэтому количество продовольствия на душу населения уменьшается. Причины недоедания связаны также со способами ведения сельского хозяйства и, следовательно, большее внимание нужно уделить вопросам, которые тормозят производство продовольствия. Получение достаточного количества продовольствия в Бурунди возможно на основе повышения урожайности во влажный сезон. В другие сезоны, необходимо, обоснованное во времени и по объемам, проведение мелиорации земель. В связи с этим, оценка объемов повышения урожая во влажный период и обоснование необходимости мелиорации в сухой, является актуальной задачей.

Цель и задачи исследований: целью настоящей работы является разработка методики обоснования необходимости и эффективности проведения водных мелиорации во все периоды года, в целях получения устойчивых урожаев для решения продовольственной проблемы в республике Бурунди. Исследования включали следующие задачи:

1. Выбор и совершенствование системы математических моделей для прогноза водного режима почвы и оценки продуктивности сельскохозяйственных культур при (и без) орошения земель в республики Бурунди в условиях круглогодичного земледелия.

2. Количественный анализ и разработка методики обработки исходных данных для моделирования.

3. Разработка методики расчета требований растений к водному режиму в условиях круглогодичного земледелия.

4. Оценка возможности использования вычислительной системы (программы) «Обоснование необходимости водных мелиораций», разработанной на основе моделей, предложенных профессорами Головановым А.И. и Шабановым В.В. для решения поставленных задач.

5. Расчет водного режима и управляющих воздействий (режима орошения), для оценки повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

6. Оценки продуктивности выращиваемых сельскохозяйственных культур по сезонам и круглый год при различном сочетании культур.

7. Обоснование необходимости мелиорации в республике Бурунди на примере земель бассейна реки Русизи.

Методология исследований: В данной работе использована методология математического моделирования процессов формирования условий среды при мелиорации земель и процессов формирования урожая сельскохозяйственных культур, выращиваемых в различных условиях. Научая новизна:

• Обоснование возможности решения продовольственных проблем в Бурунди с помощью мелиорации земель.

• Впервые обоснован режим орошения в республике Бурунди при круглогодичном земледелии,

• Усовершенствована модель «Полив» применительно к условиям круглогодичной вегетации четырех ведущих культур орошаемого земледелия в Бурунди.

• Разработана и реализована методика анализа входных (метеорологических) данных модели, на основе статических параметров и на базе анализа матриц переходных вероятностей.

• Использована методология расчета продуктивности В.В. Шабанова и показана возможность получения урожая круглый год.

• В диссертации предлагается методика определения необходимости мелиорации и количественно оценена необходимость водной мелиорации (орошения и осушения) на различных элементах ландшафта.

Защищаемые положения: На защиту выносятся:

1. Возможность решения продовольственной проблемы Бурунди с помощью мелиорации при развитии круглогодичного орошаемого земледелия.

2. Результаты исследования параметров внешней среды, как случайных метеорологических процессов (методы скользящей средней для определения стационарности случайного процесса и матриц переходных вероятностей для качественной оценки законов распределения случайных величин: осадков, температур, влажностей воздуха и почвы).

3. Оценка стационарности годового и сезонного изменения параметров внешней среды.

4. Оценка возможности использования нормального закона распределения параметров внешней среды, при обработке входных данных (температура и влажность воздуха).

5. Параметры усовершенствованной модели «Полив», проф. Голованова А.И, для условий тропического климата (подбор водно-физических констант и показателя степени в уравнении зависимости влагопроводности от влажности).

6. Результаты математического моделирования процессов влагопереноса в тропических условиях и расчета продуктивности при (и без) орошения.

7. Биоклиматическое обоснование необходимости проведения мелиорации в различные периоды года при выращивании двух сельскохозяйственных культур (картофеля и пшеницы).

Практическая ценность и значимость работы. Результаты исследований позволили:

1. Использовать усовершенствованные модели вычислительной системы «Обоснование необходимости и эффективности водных мелиораций» для решения поставленных задач.

2. Обосновать необходимость орошения в республике Бурунди.

3. Обосновать возможность получения высокой продуктивности круглогодичного мелиоративного (орошение и осушение) земледелия.

4. Показать эффективность орошения и обосновать диапазон регулирования водного режима различных культур.

5. Получить инструмент, позволяющий обосновывать распределения воды для орошения сельскохозяйственных культур в течение всего года.

6. Данную работу предполагается использовать в Министерстве сельского хозяйства республики Бурунди для планирования дальнейшего развития мелиорации земель страны, на стадии разработки Обосновывающих материалов и Технико-экономического обоснования.

Достоверность результатов заключается в следующем:

• Использование длительных рядов метеорологических данных;

• Обработка метеорологических данных статистическими и другими методами с оценкой вида законов распределения случайных величин;

• Использование современных математических моделей «подстраиваемых» для различных почвенно-климатических условий;

• Проверка результатов моделирования на совпадение продуктивности культур с существующими данными.

Личный вклад соискателя: сбор и обработка исходной информации, подготовка исходных данных для моделирования (разработка макросов в Excel для автоматизации расчетов), проведение расчетов (более 180 вариантов) и апробация результатов исследований в МСХ Бурунди.

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства. Проверка результатов проведена по данным Бурундийского агрономического институте (ISABU) в 2013 г.

Апробация результатов исследований и публикации: Данная работа была обсуждена на международных конференциях МГУП 2011-2013. Результаты исследований были доложены на международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва 2011); на международной научно-практической конференции

«Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развития АПК » (Москва 2012).

Публикация: По материалам и основным результатам диссертационной работы, опубликованы 6 научных работ, из них две в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 90 наименований, в том числе 30 работы на иностранном языке и 9 приложений. Содержание работы изложено на 125 страницах машинописного текста, иллюстрировано 56 рисунками, 44 таблицы.

Благодарность: Автор выражает глубокую признательность правительствам республики Бурунди и России за предоставленную возможность учиться в России с 2004. Я благодарен своему научному руководителю профессору В.В. Шабанову и моему консультанту профессору Голованову А.И. за постоянную помощь и советы во время исследования и учебы в РФ. Благодарю заведующего и всех преподавателей кафедры «Мелиорации и рекультивации земель», заведующего кафедрой «Сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения» профессора Рожкова А.Н., а также декана факультета «Природообустройства и водопользования» доцента к.т.н. Корнеева И.В. за помощью и поддержку во время обучения в России, в общем, и в аспирантуре в частности. Пользуясь, случаем, также хочу искреннее поблагодарить мою семью и всех преподавателей подготовительного факультета Воронежской Государственной Технологической Академии за их помощь во время изучения русского языка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении показана актуальность диссертационной работы и ее краткие характеристики. Даны цели и задачи исследований; объект, предмет и методология исследований; научая новизна; практическая ценность и значимость, а также достоверность результатов исследований.

В первой главе «Природно-географические условия республики Бурунди и их воздействие на сельское хозяйство страны» представлена краткая история и характеристика страны. Рассмотрено состояние проблемы обоснования необходимости мелиорации в республике Бурунди. По данным ФАО за 2002, потенциальная орошаемая площадь страны составилась 215 000га (15% от пригодной площади для земледелия). Из этой площади только 6960 га (3,2% от потенциальной орошаемой площади из них 4210 га заняты рисом), орошается с помощью инженерных систем поверхностным способом, а 14 470га орошается «традиционными методами».

В работе показано, что главной задачей водной мелиорации в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения в Бурунди, особенно во время сухого сезона должно быть повышение плодородие почвы путем регулирования водного режима почвы. В республике Бурунди до сих пор нет специалистов, которые,

занимались бы исследованиями в области орошения и осушения земель. Поэтому, в работе использовался опыт, накопленный в других странах, особенно в России, такими учеными как: Костяков А.Н., Аверьянов С.Ф., Айдаров И.П., Голованов А.И, Данильченко Н.В., Добрачев Ю.П., Кирейчева Л.В., Манукьян Д.А., Маслов Б.С., Никольский Ю.Н., Пчелкин В.В., Шабанов В.В., Hugues Dupriez, Philippe de Leener, Mathieu С и другие, которые занимались в разные годы вопросами водной мелиорации земель.

В первой главе, также, показаны климатические условия страны, разнообразие рельефа и бассейна реки Русизи. При разработке данного раздела использованы, в основном работы, Розова А.П., Нерпина C.B., Чудновскго А.Ф., Lewalle J., Олейникова И.Н., Gaston Hakiza и т.д.

Площадь республики Бурунди составляет 27 830 км2 [Перский, 1977]. Население страны составляет 8 053 574 (2008). Плотность населения - 310 человек на км2, В половом разрезе наблюдается преобладание женщин (52%), мужчин (48%). Большая часть населения (66%) относится к группе до 25 лет. Средняя продолжительность жизни: 47,4 года (UNFPA, 2009). Рождаемость - 40 на 1000 жителей (2010), смертность - 10 на 1000 жителей (2010). Естественный прирост - 30 человек на 1000 жителей (2010). Младенческая смертность- 62 на 1000 новорожденных (2010). Несмотря на маленькие размеры, Республика Бурунди имеет разнообразный рельеф, который разделен на четыре главные зоны: западная впадина, Конго-Нильский хребет, центральное плато и зона восточных впадин.

В первой главе, также дана гидрологическая характеристика страны и описан участок исследования «Бассейн реки Русизи».

В главе сделан краткий анализ баланса продовольствия, по четырем основным культурам страны (картофель, рис, фасоль и кукуруза) и показано, что страна находится в продовольственной опасности. Производства продовольствия недостаточно, расширение посевов невозможно, так как необходимых свободных площадей (более 600 тыс. га) нет.

Очень важно сказать, что фотоситетически активной радиации (ФАР) достаточно для выращивания сельскохозяйственных культур круглый год.

Во второй главе приведены результаты обработки метеорологических данных, перед их использованием в моделировании.

Во-первых, рассмотрена оценка достаточности длины ряда методом скользящей средней. Известно что при увеличении числа членов ряда, например, температуры воздуха, среднее значение температуры воздуха приближается к значению математического ожидания M(t); tcp = M(t). Количество лет наблюдений, при котором значение скользящей средней не выходит за пределы заданного диапазона можно считать достаточной продолжительностью наблюдений метеорологических данных. Алгоритм и примерный расчет скользящей средней температуры воздуха за первую декаду января месяца показан в таблице 1. Такие расчеты были сделаны по каждой декаде года.

Таблица 1

Порядковый номер (номер года) Календарные Годы Средняя декадная температура воздуха Накоп-лен-ные суммы ^скользящие ^ср.мн tcp.MH + 0,2 ^ср.м н"* 0,2

1 2 3 4 5 6 7 8

1 1990 23.5 23.5

2 1991 24.6 48.1 24.0 24.6 24.8 24.4

3 1992 24.1 72.2 24.1 24.6 24.8 24.4

4 1993 25.3 97.4 24.4 24.6 24.8 24.4

5 1994 24.4 121.9 24.4 24.6 24.8 24.4

б 1995 25.6 147.5 24.6 24.6 24.8 24.4

7 1996 24.3 171.8 24.5 24.6 24.8 24.4

8 1997 24.6 196.4 24.5 24.6 24.8 24.4

9 1998 24.7 221.0 24.6 24.6 24.8 24.4

10 1999 24.6 245.6 24.6 24.6 24.8 24.4

11 2000 24.5 270.1 24.6 24.6 24.8 24.4

12 2001 24.3 294.4 24.5 24.6 24.8 24.4

13 2002 24.8 319.2 24.6 24.6 24.8 24.4

14 2003 23.8 343.0 24.5 24.6 24.8 24.4

15 2004 24.5 367.5 24.5 24.6 24.8 24.4

16 2005 24.4 391.9 24.5 24.6 24.8 24.4

17 2006 23.4 415.3 24.4 24.6 24.8 24.4

18 2007 25.1 440.4 24.5 24.6 24.8 24.4

19 2008 25.7 466.1 24.5 24.6 24.8 24.4

20 2009 24.9 491.0 24.5 24.6 24.8 24.4

21 2010 24.9 515.9 24.6 24.6 24.8 24.4

Примечание к табл.1 Столбец №3- средние декадные температуры воздуха в многолетнем разрезе за 1-е декады января месяца с 1990 - 2010г. Столбец 4 - накопленные суммы средних декадных температур; столбец №5- скользящее среднее температуры воздуха (содержание соответствующие ячейки столбца 4 разделено на содержание соответствующей ячейки столбца 1). Столбец №6 - средние многолетние температуры воздуха (последняя ячейка столбца 5 принято как математическое ожидание, в данном случае это -24,6). Столбец 7 -1 cp.MHoi- прибавляем At = 0,2 °С и столбец 81 ср мног. отнимаем At =0,2. At =0,2 — заданная точность измерения температуры воздуха т.е. в диапазоне ±0,2 °С происходит стабилизация.

В качестве примеры, показан график скользящих средних температур за первую декаду января месяца. Результат на рисунке 1.

Сктшца я температура вочдш и 1-ую декаду января месяца

♦ *

1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

на следующем графике (Рис.2.).

Рис. 1. График скользящих средних температур за первую декаду января месяца.

Стабилизация значений 1скср начинается с 3-го года наблюдений т.е. с 1993. Таким образом, были обработаны данные по каждой декаде года (36 декад). Результаты времени стабилизации температуры воздуха показаны

2

9 3 о- 9

Стабилизация скольлицей средт п температуры воздуха по месяцам.

Месяцы

Рис.2. График скользящих средних температур воздуха по месяцам.

Анализ метеорологических данных, показал, что достаточная продолжительность наблюдений для температур воздуха, атмосферных осадков и

относительной влажности не превышает 20 лет.

В данной работе продолжительность наблюдений за метеорологическими параметрами составляет 21 год, что обеспечивает необходимую точность статистических оценок.

При обработке данных использовались показатели характеризующие варьирование, асимметрию и эксцесс законов распределения. Среднее квадрати-ческое отклонение показывает разброс, или рассеяние отделенных значений (в данном случае температура воздуха) по обе стороны от среднего [Гулинова, 1974]. Вычисляется по формуле:

ср

где температура воздуха в 1 момент времени,

1;ср- средняя температура воздуха, п- число наблюдений.

В ряде случаев можно использовать коэффициент вариации, который рассчитывается как (в %):

(2)

С = ——* 100 ^ г

ср

В случае если распределение случайной величины отклоняется от нормального первые две характеристики дополняются коэффициентами ассиметрии и эксцесса. Существенные величины этих параметров качественно свидетельствуют об отклонении закона распределения рассматриваемой величины, от нормального. Статистическая величина асимметрии характеризуется коэффициентом асимметрии С5

,3

( ' I ' ср )

С

•5 J

па

Коэффициент эксцесса № вычисляется по формуле:

, 4

I I ' .■ - ' .

N

[ = 1

ср

(3)

(4)

Результаты расчетов приведены в диссертации и показаны ниже. Изменение средних декадных температур воздуха показано на рисунке 3.

Изменение среднедекадных температур воздуха

Рис.3. Изменение средних многолетних величин температуры воздуха по декадам года.

Та = Тср+ст: средняя декадная температура воздуха плюс среднее квадратическое отклонения; Тб = Тср-а: средняя декадная температура воздуха минус среднее квадратическое отклонения.

Анализ изменения температуры воздуха в бассейне реки Русизи показывает что, температурный режим воздуха меняется незначительно.

В сухой сезон, величина среднего квадратического отклонения изменяется от 0,37 до 0,67 °С;во влажный - от 0,42 до 0,79 °С. Коэффициент вариации Су равен 1,69...3,14 % во влажный сезон и 1,57... 2,78 % в сухой сезон. В течение года коэффициент асимметрии и эксцесса колеблются около нуля с диапазоном от -0,58 до 0,88 для первого и от -1,33 до 0,66 для второго. Мода, медиана и средние значения температуры воздуха почти совпадают. Все это показывает, что, в первом приближении, можно считать закон распределения температуры воздуха в бассейне реки Русизи приближающимся к нормальному закону распределения случайных величин. При анализе многолетних данных температуры воздуха за период 1990-2010, показана тенденция к увеличению температуры воздуха на 1°С (точнее 0,95°С) за 30 лет. Изменение средних декадных атмосферных осадков показано на рисунке 3.

Рис.3. Изменение средних многолетних величин атмосферных осадков по месяцам

Ра = Рср+о: среднее декадное выпадение атмосферных осадков плюс среднее квадра-тическое отклонения; Рб = Рср-а: среднее декадное выпадение атмосферных осадков минус среднее квадратическое отклонения.

Средняя годовая сумма атмосферных осадков примерно равна 700 мм. Во влажный сезон выпадает 661 мм, а в сухой 29,62 мм. Величина среднего квадратического отклонения атмосферных осадков по декадам составляет 14,78 мм. Она изменяется от 0,02мм (первая декада июля месяца - сухой сезон) до 44,28мм (третья декада декабря месяца - влажный сезон). Коэффициент вариации изменяется от 49,91 (первая декада декабря месяца - влажный сезон) до 447,21% (июль - сухой сезон). Сухой сезон характеризуется малыми величинам среднего квадратического отклонения. Но в это время уменьшаются осадки (почти 0 мм) что и увеличивает варьирование. Коэффициенты асимметрии и эксцесса далеки от нулевых значений. Поэтому закон распределения атмосферных

осадков нельзя считать приближающимся к нормальному закону. Тенденция к направленным изменениям атмосферных осадков (тренду) не наблюдается. Анализ изменения относительной влажности воздуха показан на рисунке 4.

Рис.4. Изменение средних многолетних величин относительной влажности по месяцам.

На = Нср-ст: годовая средняя относительная влажность минус среднее квадратическое отклонение; Нб = Нср+с: годовая средняя относительная

влажность плюс среднее квадратическое отклонение.

Примечание: расчеты оросительных норм и продуктивности были сделаны по каждому году, что позволяет судить об их изменчивости.

Годовой режим относительной влажности воздуха характеризуется малым варьированием. Среднее квадратическое отклонение изменяется от 1,47 до 6,82%, а коэффициент вариации от 1,96 до 10,67%. Коэффициент асимметрии и эксцесса колеблются вокруг нулевых значений с изменениями от -0,92 до 0,71 для первого коэффициента, и от -1,56 до 1,29 для второго. Среднее значения влажности, мода и медиане почти одинаковы. Можно считать закон распределения относительной влажности нормальный. Тенденция к направленным изменениям относительной влажности воздуха не наблюдается.

Выше факторы внешней среды рассматривались как случайные величины. Для более адекватной характеристики в работе рассмотрели их как случайные функции. Это дает возможность более полно понять структуру случайного процесса [Вентцель,1973]. Структура случайного процесса может описаться матрицами переходных вероятностей. Поэтому были обработаны метеорологические данные методом составления матриц переходных вероятностей. Этот аппарат, обычно используется для того, чтобы иметь возможность прогнозировать значение фактора в последующую декаду, зная значение в предыдущую.

Изменение среднедекаднышачешш относительной влажности 85 -рп-лптд ИВд-ШШЗИ--

тшдга

Я нвгр1Феврзл]

Июнь Июль Авгус{етбрвктябр|Ноя6й£ешрь Декады н месяцы

В приведенных ниже таблицах представлены данные о матрицах переходных вероятностей. В ячейках таблиц показаны: верхнее число - количество случаев попадания метеорологических данных в определенный диапазон; нижнее число - частота появления, т.е. число попаданий в диапазон деленных на общую сумму случаев по строке таблицы матриц. Для заполнения таблиц, определяется количество «попаданий» в данную градацию при переходе от одной декады в другую. Данные расчеты сделаны для декадных значений параметров за 21 год (1990-2010) т.е. 756 значений каждого параметра метеорологических данных.

Матрица переходных вероятностей температуры воздуха в течение года показана в таблице 2. [Метеостанция аэропорт Бужумбура с 1990 по 2010].

__Таблица 2

22.01-23 23.01-24 24.01-25 25.01-26 26.01-27 Сумма

22.01-23 8 0.47 6 0.35 3 0.18 17

23.01-24 8 70 52 8 138

0.06 0.51 0.38 0.06

24.01-25 1 52 0.15 214 0.64 69 0.21 336

25.01-26 10 76 131 13 230

0.04 0.33 0.57 0.06

26.01-27 1 0.07 10 0.71 3 0.21 14

Матрица переходных вероятностей температур воздуха почти диагональная, т.е. вероятность сохранения температуры из декады в декаду, достаточно высока (около 0.5). Однако при высоких температурах в предыдущую декаду, вероятность сохранения таких температур уменьшается. В этом случае возрастает вероятность понижения температур примерно на 1°С. Во влажный сезон эта тенденция усиливается.

Остальные матрицы по трем параметрам метеорологических данных и по сезонам показаны в диссертации. Матрица переходных вероятностей влажности воздуха тоже почти тоже диагональная, т.е. вероятность сохранения влажности из декады в декаду, достаточно высока (около 0,6 — 0,7). Однако при высоких влажностях в предыдущую декаду вероятность сохранения таких значений уменьшается. В этом случае возрастает вероятность понижения относительной влажности примерно на 5%. При разделении данных по сезонам тенденций отмеченные для температур сохраняются.

Матрицы переходных вероятностей осадков по своей структуре существенно отличаются от матриц для температур и относительных влажностей воздуха. Закономерности процесса выпадения осадков таковы, что практически

при любых значениях осадков в предыдущую декаду, осадки в последующую будут ниже и с большой вероятностью попадут в диапазон 0-20 мм. Во влажный сезон эта тенденция несколько нарушается.

Такой анализ сделан по всем параметрам внешней среды, которые использовались для расчета и для некоторых «выходных параметров» - влагозапасов.

В третьей главе рассмотрены расчеты влагозапасов в почве, нормы и число поливов сельскохозяйственных культур в различные сезоны года. Они проводились на основе усовершенствованной вычислительной системы разработанной проф. Головановым А.И. при нашем участии. Блок - схема взаимодей-

Блок 1 - Система моделей требований сельскохозяйственных культур к условиям внешней среды.

Блок 2 — Система моделей прогноза влажности почвы. Блок 3 - Система моделей зависимости продуктивности от оросительной нормы. Блок 4 — Вероятностная оценка оптимальности условий и необходимости мелиорации.

Рис.5. Блок-схема расчетной системы «Обоснование необходимости водных мелиораций»

Система подготовки исходных данных показана в таблице 3.

_Таблица 3.

Модель Входные параметры Выходные параметры

т) ^^'орЬ т'и ^щах 8; и;

Яь V, Ф; к»; п Wi;g

Р(Б; М) \Уор1, у, Мтах рор! ророш росушен

1 — индекс момента времени (номер декады), ] — индекс сельскохозяйственной культуры (картофель, пшеница), п — показатель степени в зависимости «влагопроводность — влаж-

ствия моделей представлена на рисунке 5.

ность» (косвенная характеристика проницаемости грунтов). S, - относительная продуктивность в i-ю декаду; W; - влагозапасы в почве в i-ю декаду; т - время; Wiopt - оптимальные влагозапасы в i-ю декаду; - коэффициент саморегулирования растения; Uraax — максимальный урожай; S — относительная продуктивность за вегетацию; U - урожай; W(t) - изменение влагозапасов во времени; Rj атмосферные осадки в i-й момент времени; t, - температура; <р - относительная влажность воздуха; kw — коэффициент влагопроводно-сти.

Кроме этого, для расчета водного режима почвы необходимы еще следующие параметры: пористость, максимальная молекулярная влажность (ММВ), максимальная гигроскопичность (МГ), влажность завядания (ВЗ), высота капиллярного поднятия (Нк), коэффициент фильтрации - Кф (с учетом тре-щиноватости), предполивная влажность, от которой зависит число поливов

В результате получаются W; - влагозапасы в i-ю декаду вегетации, g -инфильтрация; Popty — вероятность оптимальных условий для j - ой культуры в i -ю декаду; — вероятность необходимости орошения для j - ой культуры в i — ю декаду; росушену— вероятность необходимости осушения для] - ой культуры в i - ю декаду;

В основе данной модели лежит уравнение передвижения почвенной влаги которое имеет вид [Голованов, 2011]:

а ах\° &) дуУ" ду)

Н= -х+\(/;

где Н — напор, м; у- напор, эквивалентный каркасно-капиллярному давлению в зоне неполного насыщения (ij/=<0) и эквивалентный гидростатическому давлению в зоне полного насыщения; k^ - коэффициент влагопроводности, зависящий от влажности почвы, при полном влагонасыщении кщ=кф;

a -a>„ У (б)

Р-®« J

кф — коэффициент фильтрации; Си - коэффициент влагоемкости,

Са= д(о/дН=дса/д\\> (7)

где со - объемная влажность почвы, сош — максимальная гигроскопичность почвы, р- пористость почвы, hk - высота капиллярного подъема, п- коэффициент изменяемый в расчетах в расчетах от 3 до 7, в зависимости от характеристики грунтов.

Для расчета продуктивности были использованы следующие уравнения [Шабанов, 1973]. Изменение относительной продуктивности Si во времени от условий внешней среды имеет вид:

s {о ) - -

т i

/ (0 N opt f 1 - ш \

ч opt ) 1 -со opt J

Суммирование значений Б; за весь вегетационный период выполняется по зависимости: 3 = £ г, 5г (8а)

]

Где со и соор,- влажность и оптимальная влажность почвы, у- коэффициент саморегулирования растений, Т] - «вклад» ¡-ой декады в урожай.

Расчетная система «Обоснование необходимости водных мелиорации» позволяет решать множество задач, в том числе расчет водного режима и продуктивности посевов без орошения, расчет режима полива и продуктивности для одного или несколько лет и сделать оценку заданного режима полива по водообмену и урожайности.

В работе год разделен на четыре сезона, примерно, по 90 дней (срок вегетации для картофеля и пшеницы в бассейне реки Русизи). Первый сезон: март-май (полувлажный сезон); второй сезон: июнь-август (сухой сезон); третий сезон: сентябрь-ноябрь (полусухой сезон) и четвертой сезон: ноябрь-февраль (влажный сезон).

Бассейн Русизи сложен аллювиальными почвами, различного механического состава. В связи с этим, моделирование было проведено для различных по механическому составу почв (песок, супесь, суглинок легкий, суглинок тяжелый). Кроме того изучалось и продуктивность различных культур, произрастающих на разных почвах в различные сезоны года. Структура «севооборота» выбрана, «специфическая», в основном, продовольственные культуры при исключении из севооборота трав. Это обусловлено тяжелейшей продовольственной ситуацией в Бурунди. В дальнейшем необходимо включение в севооборот, возможно, бобовых трав. На рисунке 6 показаны результаты расчета урожайности без орошения для различных по механическому составу почв при коэффициенте влагопроводности п = 5 (результаты моделирования за 21 год: с 1990 по 2010).

1 сезон; Март- 2 сезон: Июнь- 3 сезон: 4 сезон: Декабрь-средняя годовая май (картофель) азгусть (пшеница) Сентябрь-ноябрь февраль урожайность

(картофель) (пшеница)

Рис.6. Относительная продуктивность культур, произрастающих на почвах различного механического состава, по сезонам без орошения.

На этом рисунке видно, что в сухой сезон, при любом механическом составе, относительная урожайность практически нулевая (не больше 0,08). Такие результаты совпадают с выводом, что «в сухой сезон требуется орошение в связи с малыми атмосферными осадками» [Шабанов, Нийонзимма, 2012]. Относительная продуктивность для первого, второго и третьего сезонов больше на суглинистых почвах, чем на песчаных и супесчаных, так как суглинистые почвы лучше сохраняют влагу в почве, которая необходима культуре. В четвертом сезоне, это очень влажный сезон, влаги в почве избыточно много и для некоторых культур на тяжелых почвах необходимо осушение. Расчеты проводились при влажности начала полива равной \VBHn = 0.58 ПВ. При данном значении пред-поливной влажности проводились расчеты изменения влагозапасов и потребности в орошении при п = 5. Результаты расчетов показаны на рисунке 7.

течение года.

Режим распределения оросительной воды и поливные нормы показаны на рисунке 8.

График поливов (при выращивании картофеля-пшеницы-картофеля-пшеницы)

1сезон СГ 2сезон <Г3 сезон

---- -

О ЗО 60 90 120 150 180 2Ю 240 270 ЗОО 330 360

Сутки

Рис. 8. Распределение поливных норм по сезонам года.

При таком режиме орошения получаются, разные относительные урожайности, что показано на рисунке 9.

Рис. 9. Сравнение средней относительной урожайности без орошения и с орошением.

Расчеты показали, что средняя годовая относительная урожайность с орошением два раза больше чем без орошения. А в сухой сезон в 17 раз больше. Несмотря на нулевую оросительную норму в четвертом сезоне, урожайность с орошения чуть-чуть ниже, чем без орошения. Такой результат возникает, потому что четвертый сезон - это очень влажный сезон и снижение продуктивности возникает из-за переувлажнения. Несмотря на то, что оросительная норма в данном сезоне равна нулю, сказывается избыток воды от орошения в предыду-

1 сезон: Март-май 2сезон: Июнь- 3 сезон: Сентябрь-4сезон: Декабрь- средняя годовая (картофель) августь (лшеиица) ноябрь февраль относительная

(картофель) (пшеница) урожайность

Средняя относительная урожайность без орошения и с

орошением «с орошением

щие сезоны. Это показывает, что в четвертом сезоне необходимо проводить либо осушительные мероприятия (двухсторонние системы регулирования) или использовать более влаголюбивые культуры, например, рис. В результате расчетов можно получить представление о соотношении водоподачи и оттоков в грунтовые воды (таблица 3) для среднего года.

Таблица 3.

Ва Культу- оса Ис- Оро- сбросы сбро- сбро сброс/(ос

ри ры по дк пари си- с оро- сы с/ос ад-

ант сезонам и ря- тель- шением без ад- ки+Оро

емос ная оро- ки шенне)

ть норма шения

1 К.П.К.П. 858 1472 587 339 178 0.21 0.23

2 К.К.К.К. 858 1472 740 514 211 0.25 0.32

3 П.П.П.П. 858 1472 506 233 155 0.18 0.17

4 К.П.П.К. 858 1472 586 349 199 0.23 0.24

5 П.К.К.П. 858 1472 624 361 168 0.20 0.24

Среднее зна- 858 1472 608.6 359.2 182.2 0.21 0.24

чение

Культуры по сезонам: К - картофель, П - пшеница

В этой таблице примечательна относительная стабильность отношения сброса к водоподаче, как для варианта с орошением, так и для богары. В этом смысле можно говорить о том, что около 25% (17-32%) водоподачи идет на питании грунтовых вод и впоследствии рек.

В работе были рассчитаны различные варианты (культуры, сезоны, проницаемости) без орошения и с орошением, всего более 200 вариантов. Выяснилось, что в тропических условиях, программа работает при показателе степени в уравнении влагопроводности п от 3 до 7. Результаты при разных коэффициентах влагопроводности показаны в диссертации.

Результаты расчетов помогут менять культуры, по наиболее выгодным вариантам. Для обеспечения продовольственной безопасности, наилучшим вариантом является картофель — пшеница — картофель - пшеница для 1,2,3 и 4-го сезонов, маленький относительный сброс (0,23) и высокая суммарная пищевая ценность.

В четвертой главе было рассмотрено обоснование необходимости мелиорации в республике Бурунди. Данные расчеты проводились на основе нормального закона распределения влагозапасов. Известно, что требование растения группируются по трем основным факторам: водный, пищевой и тепловой фактор [Шабанов 1973]. Влагозапасы в Бурунди имеют бОльшее значение для растений и являются незаменимым фактором жизни, и следовательно урожайность культур в основном зависит от содержания влаги в почве [Шабанов 1973, Разумова, Вериго 1973, Чирков 1986].

Как показал Шабанов В.В., продуктивность растений по отношению к основным факторам внешней среды имеет следующую зависимость:

_ К (у- Р0р, ) (9)

<1'Р^ у> + ах № - а2)

где Б - относительная продуктивность; к - коэффициент; (р - значение ого

фактора в ьый момент времени; (рор1 - оптимальное значение ] - го фактора в

ый момент времени; а.{ и а2_ минимальные и максимальные значения фактора. Решение предыдущего уравнения дает требование растениями к условиям внешней среды, которое описывается формулой [Шабанов 1973]:

^ | и> V т о V V ^ ^

f,1 Wopt «'max ~<P УуРшгх -9opt

1 Vopt J /max - <P0pt

Фглт и (ртш - минимальное и максимальное значение фактора, у- коэффициент саморегулирования растений

U = U * S (Ш

max

где U - полученная урожайность культуры; Umax _ максимальная урожайность культуры; S - относительная продуктивность.

В данном исследовании была построена математическая модель зависимости продуктивности от водного фактора. Пример расчета по модели показан на следующем рисунке, для этого в программе Excel был сделан соответствующий макрос.

Рис. 10. Расчет требований растений к водному режиму.

С помощью данной модели, вычислена средняя относительная продуктивность культур во время вегетационного периода. Расчеты проводились при разной влажности почвы на примере картофеля и пшеницы. Требование к водному режиму картофеля в каждую декаду показано на графике 11._

Требование картофеля к влажности почвы по периодам

1.2

—«—среднее я 1 декада —*—-2 декада х 3 декада -*-4 декада —#—5 декада —■•—6 декада —7 декада ——8 декада —«—9 декада

Рис 11. Требование картофеля к режиму влажности по декадам.

о о о о о о

Влажность почвы в % от ПВ

Все результаты, часть из которых показана на рисунках приведены в диссертации.

По В.В. Шабанову [1973], вероятность необходимости водных мелио-раций вычисляется по формуле:

Л» = 1 -

* ф / ж \ - ж ср * - ф ( ' \ № ср

V <г И* У а К * )

(12)

Где Ф - Интегральная функция распределения; \Уср — центр рассеяния влагоза-пасов; а - среднее квадратическое отклонение влагозапасов;

XV

11 I

IV - наибольший оптимальный влагозапас; - наименьшии оптимальный

влагозапас;

Вероятность орошения рассчитывается по формуле:

Рор = *

№ -IV,

ср

Вероятность осушения:

С "

И' - IV,

Р = 1 -Ф

осу

ср

м>

(13)

Вероятность наступления оптимальных условий можно рассчитать:

/ \ ( \

ш - IV IV - IV

Л* = * ф ср * - Ф ср

сг <7

_ V * ; \

Расчеты были сделаны для бассейна реки Русизи (вторая надпойменная терраса), у подножья склона и на склонах. Все результаты показаны в диссертации. Результаты расчета у подножья склона показаны на следующем рисунке.

|ТНОСГЬ

Апрель

Август Сентябре

Октябрь Ноябрь

июль

Декабрь

Январь

Февраль

Рис. 12. Изменение вероятности необходимости водной мелиорации у подножья склона в течение года на примере выращивания картофеля.

В сухой сезон вероятность необходимости орошения практически равна 1, а во время влажного сезона иногда необходимо осушение. Во время влажного сезона, также иногда требуется орошение, в связи с неравномерным выпадением осадков (иногда 1 раз в неделю). Чувствительность к изменению условий показывает достоинство использованного вычислительного инструмента.

Изменение вероятности необходимости мелиорации у подножья склона при выращивании картофеля

[1]:вероятностьоптимальных условий. [21: вероятность орошения.

- ' . .4

Основные выводы

1. При анализе многолетних данных температуры воздуха за период 19902010, выявлена тенденция к увеличению температуры воздуха примерно на 1°С (точнее 0,95°С) за 30 лет, что составляет 0,32 °С за 10 лет. Хотя тенденция роста температуры и небольшая, по-видимому, ее нужно учитывать, в дальнейшем, при прогнозах.

2. Можно считать, что законы распределения температур воздуха и относительной влажности нормальны. Тенденция к направленным изменениям относительной влажности не наблюдается. Тенденция к направленным изменениям атмосферных осадков (тренду) не наблюдается. Однако закон распределения атмосферных осадков нельзя считать приближающимся к нормальному закону.

3. Без орошения относительная средняя годовая урожайность при выращивании по схеме: картофель - пшеница — картофель - пшеница : УОТн.мах=0,47, Уогн.мш=0,42 разница небольшая и равна: ДУ=0,05;

4. С орошением, относительная средняя годовая урожайность во всех вариантах ротации культур при (п= 5) получается в 2 раза больше чем без орошения. В сухой сезон относительная урожайность получается в среднем для всех вариант в 17 раз больше чем без орошения [Уотн.шах= 0,91-0,95]. Среднегодовая относительная урожайность во всех вариантах практически постоянна и равна 0,8; это еще раз подтверждает адекватность работы программы, т.к. теоретически оптимальный диапазон «настраивался» на относительную продуктивность равную 0.8;

5. Максимальная оросительная норма получается при выращивании во все сезоны картофеля («влаголюбивая» культура) и она равна М=740мм. А минимальная оросительная норма при выращивании во всех сезонах одной пшеницы: М=506мм. При выращивании разных культур в году, минимальная оросительная норма наблюдается при ротации картофель — пшеница — картофель — пшеница. Тогда оросительная норма составляет 587мм.

6. На склонах часть осадков стекает из-за большого уклона, поэтому земледелие здесь возможно только при постоянном орошении и задержании стока. Здесь нужны мероприятия по уменьшению стока, например, террасное земледелие.

7. В пойме бассейна реки Русизи требуется осушение не только в начале влажного сезона (в марте месяце), но и в остальные периоды.

8. На первой и второй надпойменной террасе (при относительно глубоком уровне грунтовых вод Ь более 2 м), оптимальные условия создаются в первый период, но орошение и в это время может дать определенную прибавку (0.3-0.4), во второй период без орошения относительная продуктивность близка к нулю, в остальные периоды эффективность орошения должна определяться экономической целесообразностью.

9. У подножья склона, благодаря накоплению воды во влажные сезоны условия более благоприятные, но здесь возможно переувлажнение в отдельные декады.

10. Суточная неравномерность выпадения атмосферных осадков влияет на режим орошения и требует орошения даже во время влажного сезона.

11. В целом развитие мелиорации в Бурунди необходимо и эффективно.

12. С точки зрения водной мелиорации, в зависимость от региона Бурунди и времени года, обоснованно и необходимо иногда орошение, иногда осушение, но есть периоды с оптимальными условиями.

13. «Вычислительная система обоснования необходимости и эффективности мелиорации» достаточно адекватно описывает природные процессы, происходящие в системе атмосфера-почва-растение и может быть рекомендована в качестве инструмента для лиц принимающих решения (ЛИР) на проектных стадия - «Обосновывающие материалы» и ТЭО.

Основное содержание диссертации изложено в работах:

1. Шабанов В.В. Нийонзима Н. Оценка изменения факторов внешней среды в бассейне реки Русизи на территории республики Бурунди// Природообу-стройство. -2012. -№3. -С. 30-35. ЧБВБК 1997-6011.

2. Шабанов В.В. Нийонзима Н.Бедность в богатой природе. // ВИНИТИ. -№309-В2012 от 16.07.2012. 18с .

3. Шабанов В.В. Нийонзима Н. Глобальная продовольственная проблема и пути ее решения для стран Центральной Африки на примере Бурунди. // ВИНИТИ. -№310-В2012 от 16.07.2012. 15с.

4. Шабанов В.В. Нийонзима Н. Возможное изменение климата и сельское хозяйство республики Бурунди. // ВИНИТИ. -№313-В2012 от 20.07.2012.64с

5. Шабанов В.В. Нийонзима Н. Проблема производства продовольствия в Бурунди. История и возможности решения. // Материалы международной конференции «Роль мелиорации водного хозяйства в инновационном развитии АПК». Часть II «Мелиорация и рекультивация земель». МГУП, 2012 . -С. 305315.

6. Голованов А.И., Шабанов В.В., Нийонзима Н. // Водный режим почв бассейна реки Русизи и продуктивность сельскохозяйственных культур (Республика Бурунди). Природообустройство. -2013. -№4. -С. 15-20. -ISSSN 19976011.

Подписано в печать 12 ноября 2013 г. Формат 60x84/16 Т.-100 экз. Объем 24/16=1,5 учетный издательский лист.

Заказ № 6'39

Отпечатано в лаборатории множительной техники ФГБОУ ВПО МГУП

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Нийонзима, Нестор, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА

04201450^50 пРавахрукописи

НИЙОНЗИМА НЕСТОР

БИОКЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОРОШЕНИЯ И ОСУШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ БАССЕЙНА РЕКИ РУСИЗИ

(РЕСПУБЛИКА БУРУНДИ)

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана

земель

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. профессор В.В. Шабанов

Москва-2013

Содержание

Введение................................................................................................................4

Глава 1. Природно-географические условия республики Бурунди и их воздействие на сельское хозяйство страны.....................................................12

1.1. Состояние проблемы и обоснование водной мелиорации...................12

1.2. Республика Бурунди: краткая история и климатические характеристики страны......................................................................................18

1.2.1. Рельеф и климатические условия страны............................................20

1.2.2. Гидрография...........................................................................................25

1.2.3. Климатические условия исследуемой территории: бассейн реки Русизи..................................................................................................................27

Глава 2. Количественный анализ условий природной среды в бассейне реки Русизи..................................................................................................................30

2.1. Оценка достаточности длины ряда методом скользящей средней........30

2.1.1. Температура воздуха................................................................................31

2.1.2. Атмосферные осадки...............................................................................36

2.1.3. Относительная влажность воздуха.........................................................38

2.2. Статический анализ метеорологических параметров.............................41

2.2.1. Температура воздуха................................................................................42

2.2.2. Атмосферные осадки...............................................................................49

2.2.3. Относительная влажность воздуха.........................................................55

2.2.4. Испарение..................................................................................................60

2.3. Обработка метеорологических параметров методом матрицы переходных вероятностей..................................................................................62

2.3.1. Матрицы переходных вероятностей температуры воздуха.................63

2.3.2. Матрицы переходных вероятностей относительной влажности воздуха.................................................................................................................69

2.3.3. Матрицы переходных вероятностей атмосферных осадков................72

2.3.4. Матрицы переходных вероятностей испарения....................................75

Глава 3. Водный режим почв бассейна реки Русизи и продуктивность сельскохозяйственных культур.........................................................................79

3.1. Необходимость водной мелиорации земель бассейна реки Русизи.... 79

3.2. Характеристики модели и условия передвижения влаги в почве........81

3.3. Результаты моделирования процессов влагопереноса в бассейне реки Русизи..................................................................................................................88

3.4. Матрица влагозапасов с орошением в бассейне реки Русизи............103

Глава 4. Обоснование необходимости орошения в республике Бурунди. .108

4.1. Требования растений к условиям внешней среды.................................108

4.2. Обоснование необходимости водной мелиорации в бассейне реки Русизи................................................................................................................114

Общие выводы по диссертации......................................................................122

Список используемых литератур....................................................................124

Приложение.......................................................................................................134

Введение

Продовольствие и вода являются основными источниками жизни на планете Земли. Известно, что проблема нехватки продовольствия является одной из актуальных проблем, особенно для развивающих стран и стран «третьего мира» [Pedro Conceicao,2011]. В настоящее время более 900 миллионов человек на Земле недоедают, а 30 % из них проживают в странах Африки к югу от Сахары [доклад о продовольствии ФАОДОП]. По данным ФАО (2010), число голодающих в последние годы существенно возросло (Афганистан, Бурунди, Куба, КНДР, Либерия, Мадагаскар, Монголия, Центральноафриканская республика, Сомали и Танзания). Число недоедающих людей достигло 1,023 миллиарда в 2009 году и большинство (98 %) из них проживают в развивающихся странах. В 2010 оно сократилось до 925 миллионов человек. Однако число глодающих людей в странах Африки, особенно к югу от Сахары, очень высоко, [доклад о продовольствии ФАОДОП]. Продовольственная проблема имеет глобальный характер, но в таких бедных странах как Бурунди она приобретает особые формы. Нехватка продовольствия является тормозом развития стран третьего мира и причиной многолетних социальных, экономических и политических конфликтов.

Главной проблемой республики Бурунди в данное время является проблема продовольствия [Cheryl Christensen, 1982; Hillocks RJ, 2011].Сейчас свыше половины населения республики Бурунди живет ниже черты бедности. Нехватка продовольствия является одной из главных причин различных болезней и высокой смертности (10 человек на 1000 жителей в 2010 году), и особенно детской (62 на 1000 новорожденных в 2010 году) [По данным Бурундийского статистического института ISTEBU]. Определенную положительную роль в решении продовольственной проблемы играет международная продовольственная помощь, однако в процентном отношении она покрывает от 0,2 до 10 % потребности.

Принято считать, что в Бурунди существуют два климатические сезона в году: сухой и влажный [Charles BAKUNDUKIZE, Marc Van CAMP, 2011]. Во время сухого сезона (июнь-сентябрь) практически никакой сельскохозяйственной продукции не производится. Основной объем продовольствия производится во влажный период, к концу сухого сезона продовольствие кончается. Причины отсутствия продовольственной безопасности многочисленны и разнообразны. Считается, что демографическая причина стоит на первом месте. Численность населения увеличивается на 3% в год, а количество продовольствия не увеличивается, поэтому душевое потребление уменьшается. Причина недоедания связаны также с отсталыми способами ведения сельского хозяйства и, следовательно, больше внимания нужно уделять вопросам, которые тормозят производство продовольствия [Caspar Schweigman, 2008]. Решение проблемы получения достаточного количества продовольствия в Бурунди можно осуществить на основе повышения урожайности во влажный сезон и обоснованного во времени и по объемам проведения мелиорации земель. Важнейшим способом мелиорации в Бурунди является орошение земель современное проведение, которого можно считать актуальной задачей.

Цель и задачи исследований: целью настоящей работы является разработка методики обоснования необходимости и эффективности проведения водных мелиораций в различные периоды года, в целях получения устойчивых урожаев для решения продовольственной проблемы в республике Бурунди.

Исследования включали следующие задачи:

1. Выбор и совершенствование системы математических моделей для прогноза водного режима почвы и оценки продуктивности сельскохозяйственных культур при (и без) орошения земель в республики Бурунди в условиях круглогодичного земледелия.

2. Количественный анализ и разработка методики обработки исходных данных для моделирования.

3. Разработка методики расчета требований растений к водному режиму в условиях круглогодичного земледелия.

4. Оценка возможности использования вычислительной системы «Обоснование необходимости водных мелиораций», разработанной на основе моделей предложенных профессорами Головановым А.И. и Шабановым В.В. для решения поставленных задач.

5. Расчет водного режима и управляющих воздействий (режима орошения), для оценки повышения продуктивности сельскохозяйственных культур.

6. Оценки продуктивности выращиваемых сельскохозяйственных культур по сезонам и круглый год при различном сочетании культур.

7. Обоснование необходимости мелиорации в республике Бурунди на примере земель бассейна реки Русизи.

Объект исследований: Объектами исследований данной работы являются закономерность формирования условий внешней среды при круглогодичном земледелии и влияние этих факторов на конечную продуктивность сельскохозяйственных культур.

Предмет исследований: оценка применимости программной системы прогноза водного режима, разработанной профессором Головановым А.И., для оценки режима орошения в различных почвенно-климатических условиях при круглогодичном выращивании сельскохозяйственных культур на территории Бурунди.

Методология исследований: в данной работе использована методология, математического моделировании процессов формирования условий среды при мелиорации земель, а также моделей формирования

урожая сельскохозяйственных культур, выращиваемых в различных условиях.

Научая новизна:

• Обоснование возможности решения продовольственных проблем в Бурунди с помощью мелиорации земель.

• Обоснование режима орошения в республике Бурунди при круглогодичном земледелии, вопрос, который был рассмотрен впервые.

• Практическое применение усовершенствованной модели «Полив» в разных климатических условиях ; установление ее работоспособности и адекватности.

• Разработка и реализация методики анализа метеорологических входных данных модели, на основе статических параметров и на базе матриц переходных вероятностей.

• Использование методологии расчета продуктивности и доказательство возможности получения урожаи круглый год.

• Предлагаемая методика определения необходимости мелиорации позволяет количественно оценить необходимость водной мелиорации (орошения и осушения) на различных элементах ландшафта.

• Данная работа поможет разработать первую концепцию развития мелиорации в республике Бурунди, для ликвидации голода в стране.

Защищаемые положения:

На защиту выносятся:

1. Возможность решения продовольственной проблемы Бурунди с помощью мелиорации при развитии круглогодичного орошаемого земледелия.

2. Результаты исследования параметров внешней среды, как случайных метеорологических процессов (методы скользящей средней для определения стационарности случайного процесса и матриц переходных вероятностей для качественной оценки законов распределения случайных величин: осадков, температур, влажностей воздуха и почвы).

3. Оценка стационарности годового и сезонного изменения параметров внешней среды.

4. Обоснование выбора нормального закона распределения параметров внешней среды при обработке входных данных (температура и влажность воздуха).

5. Параметры усовершенствованной модели «Полив», проф. Голованова А.И, для условий тропического климата.

6. Результаты математического моделирования процессов влагопереноса в тропических условиях и расчета продуктивности при (и без) орошения.

7. Биоклиматическое обоснование необходимости проведения мелиорации в различные периоды года при выращивании двух сельскохозяйственных культур (картофель и пшеница).

Практическая ценность и значимость работы

Результаты исследований позволили:

1. Использовать усовершенствованные модели вычислительной системы «Обоснование необходимости и эффективности водных мелиораций» для решения поставленных задач.

2. Обосновать необходимости орошения в республике Бурунди.

3. Обосновать возможность получения высокой продуктивности круглогодичного мелиоративного (орошение и осушение) земледелия.

4. Показать эффективность орошения и обосновать диапазон регулирования водного режима различных культур.

5. Получить инструмент, позволяющий обосновывать распределения воды для орошения сельскохозяйственных культур в течение всего года.

6. Данную работу предполагается использовать в Министерстве сельского хозяйства республики Бурунди для планирования дальнейшего развития мелиорации земель страны, на стадии разработки Обосновывающих материалов и Технико-экономического обоснования.

Достоверность результатов заключается в следующем:

• Использование длительных рядов метеорологических данных;

• Обработка метеорологических данных статистическими и другими методами с оценкой вида законов распределения случайных величин;

• Использование современных математических моделей «подстраиваемых» для различных почвенно-климатических условий;

• Проверка результатов моделирования на совпадение продуктивности культур с существующими данными.

Личный вклад соискателя: сбор и обработка исходной информации, подготовка исходных данных для моделирования (разработка макросов в Excel для автоматизации расчетов), проведение и анализ расчетов, а также апробация результатов исследований в МСХ Бурунди.

Работа выполнена на кафедре мелиорации и рекультивации земель Московского государственного университета природообустройства. Проверка результатов проведена в Бурундийском агрономическом институте (ISABU) в 2013г.

Апробация результатов исследований и публикации: Данная работа была доложена на международных конференциях МГУП 2011-2013. Основные результаты исследований были обсуждены на международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» (Москва 2011); на международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развития АПК » (Москва 2012).

Публикация: По материалам и основным результатам диссертационной работы, опубликованы 6 научных работ, из них две в журналах рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 90 наименований, в том числе 30 работы на иностранном языке и 9 приложений. Содержание работы изложено на 123 страницах машинописного текста, иллюстрировано 59 рисунками, и содержит 45 таблиц.

Благодарность: Я выражаю глубокую признательность правительствам республики Бурунди и России за предоставленную возможность учиться в России с 2004. Я благодарен своему научному руководителю профессору В.В. Шабанову и моему консультанту профессору Голованову А.И. за постоянную помощь и советы во время исследования и учебы в России.

Благодарю заведующего и всех преподавателей кафедры «Мелиорации и рекультивации земель», заведующего кафедрой «Сельскохозяйственного водоснабжения и водоотведения» профессора Рожкова А.Н., а также декана факультета «Природообустройства и водопользования» доцента к.т.н. Корнеева И.В. за помощью и поддержку во время обучения в России, в

общем, и в аспирантуре в частности. Пользуясь, случаем, также хочу искреннее поблагодарить мою семью и всех преподавателей подготовительного факультета Воронежской Государственной Технологической Академии за их помощь во время изучения русского языка.

Глава 1. Природно-географические условия республики Бурунди и их воздействие на сельское хозяйство страны

1.1. Состояние проблемы и обоснование водной мелиорации

Бурунди является аграрной страной. В сельском хозяйстве занято более 90% всего трудоспособного населения страны. На сельском хозяйстве основана большая часть экономики страны (более 50% ВВП). История развития производства продовольствия в Бурунди тесно связана с различными историческими периодами развития страны. Таких периода три -до колонизации, время колонизации и после колонизации. Несмотря на все изменения, связанные с различными политическими периодами страны, сельское хозяйство всегда оставалось слаборазвитым и не модернизированным сектором. Несмотря на то, что естественные условия в отдельные периоды года, очень благоприятны для сельского хозяйства, полностью обеспечить все население продовольствием не удается. В настоящее время, производство продовольствия Бурунди, недостаточно даже для внутреннего потребления. Продовольственный кризис в стране, вызван с одной стороны, недостаточным объемом производства продовольствия для внутреннего потребления, а с другой, низкими темпами прироста производства продовольствия и высокими темпами прироста населения.

Для выяснения причин и поиска путей выхода из такого положения необходимо рассмотреть природные условия (климат, рельеф, геология, почвенный покров страны, растительность и др.), установить степень их благоприятности для ведения сельского хозяйства и выявления потенциальной возможности продовольственного самообеспечения страны. Причины отсутствия продовольственной безопасности многочисленны и разнообразны. Демографическая причина стоит на первом месте. В Бурунди наблюдается высокая численность населения и большое количество неграмотного населения. Статистика показывает, что численность населения

увеличивается (3% в год), а количество продовольствия уменьшается. Рост численности населения существенно опережает рост производства продовольствия (численность населения Бурунди удвоилась за последние лет тридцать). Кроме того, во время колонизация и после нее, большое внимание уделялось в осн