Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек"

На правах рукописи

КИСЕЛЕВА ОЛЬГА ЕВГЕНЬЕВНА

ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ВЫБОРУ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ АГРОМЕЛИОРАТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ В БАССЕЙНАХ МАЛЫХ РЕК

Специальность 06 01 02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗ167934

Москва-2008

003167934

Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А Н Костикова (ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии)

Научный руководитель.

кандидат геолого-минералогических наук Коломийцев Николай Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Добрачев Юрий Павлович

кандидат технических наук, доцент Лагутина Наталия Владимировна

Ведущая организация:

ФГНУ ВНИИ «Радуга»

Защита состоится «22» мая 2008 года в 10 ш часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им А Н Костикова по адресу. 127550, Москва, ул. Большая Академическая, 44, к 504

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костикова Россельхозакадемии

Автореферат разослан «21» апреля 2008 года

Ученый секретарь

диссертационного совета, д т. н

С.Д Исаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы предусмотрено проведение мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения Важное место при охране и рациональном использовании земельных ресурсов занимает защита почв от эрозии. По данным Минэкономразвития и торговли в Российской Федерации на 1 января 2007 года водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий, из них 95% расположено в бассейнах малых рек

Защита почв от эрозии является важнейшим звеном в системе адаптивно -ландшафтного земледелия Многочисленными исследованиями доказано, что применение агромелиоративных мероприятий позволяет предотвратить эрозионные процессы на склоновых землях. Научно обоснованный выбор комплекса агромелиоративных мероприятий предполагает использование современных моделей эрозии почв Среди существующих моделей эрозии наиболее приемлемыми для практического применения являются эмпирические В тоже время эмпирические модели не позволяют производить прогнозирование процесса эрозии и недостаточно учитывают особенности процесса смыва почв на склоновых землях Для обоснования эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий необходим синтез эмпирических и физико-математических моделей, что позволит проводить прогноз интенсивности водно-эрозионных процессов Надежность принимаемых решений может быть повышена за счет использования современных геоинформационных систем (ГИС)

Целью работа является разработка информационной технологии поддержки принятия решений для обоснования выбора эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек.

Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи:

- выполнить анализ существующих информационных систем, применяемых для обоснования агромелиоративных мероприятий;

- изучить современные модели, позволяющие рассчитать потери почв при водной эрозии на склонах;

- выбрать и усовершенствовать эмпирическую модель эрозии почв с учетом фактических условий снеготаяния,

- разработать методику создания цифровой модели территории для прогнозирования процесса эрозии почв;

- разработать и реализовать комплексную модель и методику прогнозирования потерь почвы на склоновых землях в период весеннего снеготаяния,

- разработать методику и технологию автоматизированного выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на склоновых землях.

Научная новизна:

- разработана информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий с учетом особенностей процесса снеготаяния на склоновых землях бассейнов малых рек;

- установлена корреляционная зависимость коэффициента стаивания снежного покрова от фазы снеготаяния для условий Южного Подмосковья;

- разработана методика расчета единичного гидрографа речного стока для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаяния,

- разработана методика принятия решений на основе сценарных исследований по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на землях с различными уклонами

Основные положения, выносимые на защиту:

- комплексная модель для прогноза потерь почвы со склонов при весеннем снеготаянии, основанная на синтезе моделей водоотдачи снежного покрова, аккумуляции талых вод в почве, склоновой эрозии;

- методика прогнозирования интенсивности эрозионных процессов при весеннем снеготаянии на основе разработанной комплексной модели и цифровой модели территории речного бассейна;

- методика расчета единичного гидрографа для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаяния,

- информационная технология поддержки принятия решений по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности эрозионно-опасных склоновых земель.

Методика исследований основана на анализе и обобщении натурных исследований Института фундаментальных проблем биологии РАН (ИФПБ РАН), отечественных и зарубежных публикаций, статистической обработке массивов данных Росгидромета, применении современных программных средств работы с картографической информацией (ArcGIS 9 2) и базами данных (MS ACCESS), программировании и математическом моделировании

Научная гипотеза: Разработка информационной технологии поддержки принятия решений на основе ГИС водосборного бассейна и математического моделирования вводно-эрозионных процессов позволит повысить обоснованность выбора агромелиоративных мероприятий.

Практическая значимость. Разработанная технология обеспечивает информационную поддержку землепользователю при выборе рационального варианта агромелиоративных мероприятий с учетом почвенных и морфометриче-ских характеристик рельефа, фактических и прогнозируемых условий снеготаяния

Результаты исследований использовались в лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН, а также при составлении ежегодных отчетов ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии по программе РАСХН по теме 03 02.02 1 «Разработать технологии и мероприятия по снижению техногенной нагрузки на водные объекты АПК» и в отчетах по Го-

сударственному контракту от 07 ноября 2005 г № 02 434 11 7026 «Исследование эрозионных процессов и разработка концепции рационального использования эрозионно-опасных земель «Эрозия».

Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы, постановке программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научно-исследовательских работ, проведении численных экспериментов, обобщении результатов исследований, разработке методик, на основании которых осуществляется выбор эффективных агромелиоративных мероприятий, проведении агроэкологической компоновки земель для малого балочного водосбора.

Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2006 годах, результаты исследований и основные положения были доложены на. Межрегиональной конференции МКИД «Производство продовольствия и вода1 социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» (г Москва, 8-10 сентября 2004 г.), Международной конференции- «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Москва, ВНИИГиМ, 30 марта 2005 г.), Международной научной конференции молодых ученых «Молодые ученые - аграрной науке» (Москва, МСХА им. К,А. Тимирязева, 1-2 июня 2005 г ), заседании отдела Гидрологии Института водного хозяйства и управления бассейнами рек (Университет Карлсруэ, ФРГ, июль 2005 г.) Работа рассматривалась и обсуждалась на Научном семинаре Лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино, 5 июля 2007г )

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 1 - в журнале, рекомендованном ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, изложена на 150 страницах основного текста, включая 37 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 205 наименований, в том числе 43 работы зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проанализированы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых по изучаемой проблеме.

В результате анализа публикаций установлено, что наиболее эффективным подходом к изучению и охране природной среды является бассейновый принцип. Значительная распространенность бассейнов малых рек (2,5 млн. малых рек и ручьев в России), их интенсивное использование в сельскохозяйственном производстве, а также особая уязвимость к антропогенным воздействиям, направленным на изменение растительного покрова на водосборе, выявили необходимость изучения и прогнозирования эрозионных процессов Многочисленными исследованиями установлено, что на большей части Русской равнины одним из важнейших факторов влияющих на смыв почв является поверхностный склоновый сток в период весеннего снеготаяния.

Задачи информационного обеспечения противоэрозионной защиты решаются на основе математических моделей эрозии почв. Эрозионные модели подразделяются на физические и эмпирические К эмпирическим относятся модели талого смыва Г И Швебса, И.К. Срибного, Г.П. Сурмача, Гаршинева Е А, ГГИ, В.Д Иванова, В П Герасименко, RUSLE, MUSLE, EPIC, ECOSYS, CREAMS, dABAG. К физическим - модели Ц.Е. Мирцхулавы, М.С. Кузнецова, WEPP, EUROSEM, OPUS, SWAM

В результате анализа моделей было выявлено, что эмпирические модели дают точные результаты интенсивности смыва и не требуют постановки многочисленных натурных опытов дая определения входных параметров Наиболее удобной является модель ГГИ в модификации Г.А. Ларионова (1993). Она базируется на большой эмпирической базе для условий России и позволяет оценить потери почвы на склоновых землях. Развитие модели и адаптация ее для выработки противоэрозионных мероприятий должно выполняется на основе геоинформационных систем (ГИС), с учетом численного отображения морфометрических характеристик склонов, свойств почвенного покрова, распределения снегозапа-сов и др.

Обоснование эффективности принятия решений по выбору комплекса агромелиоративных мероприятий проводится на основе сценарных исследований. Сценарным исследованиям на основе ГИС в мелиорации посвящены работы Л В Кирейчевой, И Ф Юрченко, И.Ю Савина, Е Г Федоровой, А Г Корнилова, Е.Л. Макаренко, Е В Понькиной и др

Важным моментом при разработке информационной технологии принятия решений является выбор репрезентативного объекта исследований.

Во второй главе дано обоснование репрезентативности объекта исследований. В качестве объекта исследований выбран водосбор р Любожихи (правый приток р. Оки), расположенный в южном Подмосковье вблизи г. Пущино (рисунок 1). Территория водосбора по ландшафтному районированию Московской области относится к Заокскому округу серых лесных почв, по ландшафт-но-сельскохозяйственному районированию к Заокскому ландшафтно-сельскохозяйственному округу Изучаемый бассейн является характерным для Заокского округа по сельскохозяйственной освоенности, типам почв и эрозионным условиям территории (таблица 1)

Заокский сельскохозяйственный округ занимает территорию к югу от р. Оки; расположен на северном склоне среднерусской возвышенности Рельеф представлен крупноувалистыми формами с характерными водосборами долин-но-балочных систем площадью 10-20 до 40 км . Эрозия почв в данном регионе вызывается, главным образом, нерегулируемым поверхностным стоком талых вод. Среднее количество осадков составляет 560 мм Среднесуточная температура воздуха составляет +4,5°С. Средняя дата перехода температуры через 0°С в сторону положительных значений - 19 марта; через 5°С - 11 апреля. Средняя продолжительность весеннего сезона - 43 дня За весну выпадает в среднем 60 мм осадков Средняя дата разрушения снежного покрова приходится на 3 апреля. Полное стаивание снежного покрова приходится 13 апреля

ЛЕГЕНДА

Я* Метеостанция

- Притоки

-Река

I I Граница водосбора £ Водомерный пост

Рисунок 1 - Топографическая карта водосборного бассейна р. Любожихи Таблица 1 - Обоснование репрезентативности объекта исследований

Природные условия Заокский с.-х. округ (Почвы Московской области, 2002) Водосбор р. Любожихи

Площадь, км2 2550 19,8

Абсолютные отметки поверхности, м 110-250 134-237

Коэффициент расчленения территории, км/км2 0,9 2,1

Площадь лесов в (%) от общей площади территории 15 34,8

Площадь сельскохозяйственных угодий в (%) от общей площади территории 70 53,9

Площадь сельскохозяйственных угодий на уклонах более 3° в (%) от общей площади территории 20-25 17

Эродированные почвы (светло-, темно-серые, серые лесные; тяжело- и среднесуг-линистого гранулометрического состава, в (%) от общей площади территории) '35 27

Среднее содержание гумуса в почвах пашни, т/га 2,7-2,9 1,7-2

Средний слой стока весеннего половодья, мм 60-70 65

Глубина промерзания в зависимости от условий зимы изменяется от 1518 см до 145-150 см. Оттаивание почвы начинается через 1-2 дня после схода устойчивого снежного покрова

Наблюдения за процессами формирования талого стока и смыва серых лесных почв проводили в разные годы В П Лидов, М С Кузнецов, А Т Барабанов, В.И. Косоножкин и др. Как показал выполненный анализ исследований характерным для данного региона является накопление влаги в верхних слоях почвы за осенний период Последующее промерзание почв приводит к образованию так называемого «запирающего» слоя, который характеризуется высокой льдистостью и низкой водопроводностью Комплексное воздействие снеготаяния и осадков в весенний период приводит к интенсивному смыву почв

В третьей главе рассмотрены теоретические и методические основы разработки информационной технологии поддержки принятия решений (ППР) по выбору агромелиоративных мероприятий бассейнах малых рек.

Структурная схема информационной технологии содержит следующие этапы: (рисунок 2).

❖ сбор исходной информации по пространственным и временным характеристикам бассейна, картографический материал (топографические и почвенные карты, аэрофотоснимки); данные о водно-физических свойствах почв, данные метеонаблюдений (среднесуточная температура воздуха и почв, количество осадков), данные об уровнях воды в замыкающем створе реки.

❖ математическую обработку информации интегрированным набором программных ГИС- продуктов и редакторами работы с базой данных В результате формируется база данных на единой топографо-геодезической основе с соблюдением иерархичности и масштабной генерализации данных. В базе данных информация представлена в форме входного пакета для блока моделирования и прогнозирования;

❖ оснащение блока моделирования системой моделей, необходимых для расчета потерь почвы при весеннем снеготаянии, и служебных расчетных схем для оценки адекватности и точности моделей;

❖ формирование блока прогнозирования, в котором проводится расчет возможных потерь почвы с водосбора при заданных условиях снеготаяния и прогонка заданных сценариев сельскохозяйственного использования земель бассейна для оценки эффективности применения агромелиоративных мероприятий

Математическая обработка информации основывается на:

> методике создания базы данных ГИС водосборного бассейна малой реки (рисунок 3), которая предполагает обработку базовых карт средствами программного обеспечения ГИС (в работе представлен алгоритм на примере программного обеспечения Are GIS 9.2) и формирование цифровой модели территории с разрешением 100x100м;

> методике формирования базы метеоданных в условиях неопределенности для малого водосборного бассейна, которая основана на интерполяции суточных замеров температуры и осадков по станциям (на примере программ-

Информация

Исходные данные 1

Подготовка исходных данных

Математическая обработка данных

е

Тематические карты:

> Топографические

> Почвенные

> Аэрофотоснимки

НС

Почвенные данные:

> Показатели водно-физических свойств почв

> Показатели агрохимических свойств почв

> Данные по допустимому смыву

> Коэффициенты эроди-

_ _£уемо£тц_по;1в _ _ _

Создание базы данных ГИС для малого водосборного бассейна

...............

Модель

Выбор и адаптация моделей к конкретным условиям водосбора

Прогноз

Метеорологические данные:

> Среднесуточная температура воздуха и почв

> Среднесуточный слой осадков

> Влажность, промерзание почв

Гидрометрические данные:

> Уровни и расходы воды в замыкающем стяоое

Географическая привязка_

ятшштЛтшшшжют

Создание тематических карт путем оцифровки -► перевод в растровые объекты

/ у V

Создание ЦМР карт морфометриче-_ских характеристик рельефа_

Цифровая модель территории

Визуализация результатов:

> Карты смыва почв

> Карты сценарных исследований

' ■ ' ЛI

\i_f._is Щ______||

Интерполяция точечных замеров температуры и осадков

Расчетная матрица (100x100 м)

ру

Анализ среднесуточной температуры и & слоя осадков:

> Выбор циклонарных дождей

> Определение граничных температур

~_

ш

Анализ уровней и расходов воды:

Расчет единичного гидрографа

ШЙЯВЯШИШШШЙШЭШ

Модель талого склонового стока

____

Модель смыва почвы при весеннем снеготаянии

МаНАВ 20071)

й —г

¡г

ш

Принятие решений

Прогноз поверхностного склонового сто-

Назначение агротехнических мероприятий схем размещения культур (Расчет водопроницаемости почв и эрозионной устойчивости почв)

Прогноз смыва почв

В)

МИД I

Комплекс агромелиоративных проти-воэрозионных мероприятий

© © ©

V';

1 \ Методика построения ГИС бассейна малой реки (подробно см. рисунок 3)

2 ^ Подробно см. рисунок 4

3 ^ Методика сценарных исследований (подробно см. рисунок 5)

Рисунок 2 - Структурная схема информационной технологии поддержки принятия решений

9

Геометрическая частгь._базы данных_

Топографическая карта

Почвенная карта

Аэрофотоснимок для уточнения землепользования

Растровые тематические карты

Атрибутивная часть базы данных 121 MS ACCESS

Карта гидрографической сети

Протяженность основной реки и притоков

Карта землепользования

Почвенная карта

Карта высотных отметок (горизонтали)

Доля угодий, леса, селитебных территорий, водных объектов

Типы почв, их физико-химические свойства

Векторные электронные карты (полигоны и линии

Цифровая модель рельефа

Высотные отметки

Карта уклонов

Карта экспозиции склонов

Уклон поверхности

Экспозиция участка склона

Карта направления стока

Карта интенсивности стока

Карта элементарных водосборов и систем склонов

Расстояние от местного водораздела, принадлежность к элементарному водосбору

Почвенная карта

Карта землепользования

Характеристики почвенного покрова

Растровые модели территории (100 X 100) м)

Цифровая модель территории

Векторная карта (точки 100 X100 м)

Набор параметров географические координаты, морфометрические и почвенные характеристики водосбора, данных о землепользовании

Рисунок 3 - Методика создания ГИС бассейна малой реки

ного пакета ArcGIS 9 2) При установлении тесноты связей сумм осадков за дождевой период между пунктами наблюдений было уделено особое внимание кластеризации генетически однородных дождевых периодов. Для учета формы осадков была предложена методика установления граничных температур по месяцам.

При формировании блока моделирования за основу была принята физико-статистическая модель эрозии почв при весеннем снеготаянии Г.А Ларионова (1993), Однако в данной модели учитывается общий слой склонового стока, что снижает точность расчетов. Многочисленными авторами (В.П. Герасименко, 1995; А.Т. Барабанов, 1993, В.В. Жилко, 1991 и др.) отмечено, что смыв почвы осуществляется только водой, стекающей после появления проталин в определенных условиях температурного режима и влажности почвы Указанная модель была адаптирована к условиям изучаемого объекта с учетом фактических условий формирования весеннего склонового стока

Прогнозирование поверхностного склонового стока, вызывающего смыв почв, произведено на основе системы моделей, модели формирования снежного покрова и снеготаяния (Университет Карлсруэ, ФРГ), которая включает расчет водоотдачи из снега на элементарном участке склона (на основе коэффициентов стаивания) и учет проседания снега по методу Ф. Бертле и модели аккумуляции талых вод (Е.Г. Гусев, 2003).

Анализ исследований (С В Ясинский, Е Г. Гусев, И.Л Калюжный, Г.П Сурмач и др ) показал, что формирование склонового стока происходит в условиях с образованием и без образования запирающего слоя В качестве основной характеристики мерзлой почвы в данной работе принят комплексный показатель образования запирающего слоя, преложенный C.B. Ясинским, Е М. Гусевым (2003).

В = (1)

где <f - глубина промерзания почвы, см; W2o -влажность верхних 20 см, см3/см Критерием образования запирающего слоя служит условие-

В>В*>25, (2)

где В* - 1фитическое значение при превышении которого происходит образование запирающего слоя.

При наличии запирающего слоя максимум смыва почвы приходится на главную фазу снеготаяния со среднесуточной температурой воздуха + 3 ..5°С, когда поверхность почвы оголяется на 50-75% (ЕВ. Окулик, 2006). Верхний слой почвы оттаивает, находится в переувлажненном состоянии и легко смывается потоками талой воды по мерзлому слою почвы. При отсутствии запирающего слоя объем впитавшейся в почву воды (за счет водоотдачи из снежного покрова и выпавших осадков) за сутки (1тт) не превышает:

/в„ит -Q,5KMÂt, (3)

где At - расчетный период, 24ч, 0,5- коэффициент зависимости водоотдачи от времени суток, Км- коэффициент фильтрации мерзлой почвы с учетом ее льди-стости (по В.И. Кулику, 1978) Алгоритм моделирования весеннего склонового стока представлен на рисунке 4

Рисунок 4 - Блок-схема расчета по модели талого склонового стока

На первом этапе моделирования на основе информации о температуре воздуха и количестве осадков рассчитывается накопление снега на участке склона Затем определяется глубина промерзания почвы и критерий образования запирающего слоя. Для условия перехода среднесуточной температуры воздуха в положительную область значений для всех участков склона последовательно рассчитывается динамика водоотдачи, аккумуляция талых вод и слой склонового стока для всех дней снеготаяния

Прогнозирование эрозионных потерь почвы выполняется на основании сценария назначения агромелиоративных мероприятий на склоновых землях; алгоритм расчета смыва почвы представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма сценарных исследований

Условные обозначения к рисункам 4 и 5.

Т- среднесуточная температура воздуха,°С; Мос - суточные суммы осадков, мм/ А1 (N00 ж - осадки в виде дождя, Н^п, - осадки в виде снега); к,; - коэффициент стаива-ния, мм/°С; п - пористость почвы, \^20-влажность 20 см почвы, см3/ см3, £ - глубина промерзания почвы, см, 1ВОДООТ пох - потенциальная интенсивности снеготаяния, мм/сут, - водный эквивалент сухой части снега, мм, 180доот- реальная интенсивность снеготаяния, мм; ЭДобщ - общий водный эквивалент снежного покрова, мм, Н* - высота снежного покрова до осаждения, мм, Н**- высота снежного покрова после осаждения, мм; РБ - плотность наслоения снежного покрова, г/см3, Д1 - расчетный интервал, 24 ч; Ьповст - слой поверхностного стока, мм, к - номер 100 - метрового отрезка; 1 -расчетный отрезок склона (100м), 1 - уклон расчетного отрезка, град; Кэр - коэффициент учитывающий эродируемость почвы, т/га; Кэко- коэффициент, учитывающий экспозицию склона, Ксм - коэффициент, учитывающий смытость почвы, [I] = ^1),

[Ь]=Г(ЬП0В.СТ, к, 1)- расчетные параметры длины и крутизны склона (зависимость Г.А. Ларионова); = [1]-[Ь]'Кэкс-Кш- - смыв почвы на расчетном отрезке склона; -допустимый смыв почвы, т/га (по Ю.П. Сухановскому, 2004).

Результатом информационной технологии ППР является прогнозирование эрозионных потерь почвы в период весеннего снеготаяния и выбор комплекса противоэрозионных агромелиоративных мероприятий.

В четвертой главе представлены результаты разработанной информационной технологии ППР для водосборного бассейна р. Любожихи.

В основу ГИС исследуемого бассейна положен картографический материал, включая топографическую карту масштаба 1:10000 с сечением горизонталей 2 м, почвенную карту - 1:10000, аэрофотоснимок разрешения 1 м. На основе предложенной методики в программной среде АтсвК 9.2 построена цифровая модель территории, привязанная в географических координатах к местности. Каждому точечному объекту (рисунок 6) соответствует набор осреднен-ной информации о характеристиках рельефа ячейки, водно-физических показателях почв, динамики температуры воздуха и почв, количестве осадков. Данная информация затем используется системой моделей, реализованных в программе МаЛаЬ2007Ь. Результаты расчетов "направляются" в базу данных и затем визуализируются с использованием ГИС.

Рисунок 6 - Фрагмент цифровой модели территории с таблицей значений для выделенной точки

Данные о физических и химических свойствах почв, запасах воды в снежном покрове, динамике промерзания почвы, водопроницаемости серой лесной почвы в зависимости от агрофона и агротехники принимались согласно исследованиям М.П. Волокитина, A.C. Керженцева (ИФПБ РАН, Пущино).

U il^wit- |

Массив метеоинформации за 2003-2005гг., необходимой для расчетов, сформирован на основе данных о среднесуточном количестве осадков и температуре воздуха по метеостанции г.Пущино (ПРАО ФИАН) При отсутствии данных, использовалась методика их пересчета по данным метеостанции При-окско-Террасного биосферного заповедника (СКМ ПТБЗ), г. Москвы и г. Тулы

Дата

| —СКФМПТБЗ —А—Москва —Тула |

Рисунок 7 - Определение суточных сумм атмосферных осадков при отсутствии данных по метеостанции в Пущино (сентябрь - октябрь 2002 г.)

Анализ результатов многолетних метеорологических наблюдений за температурой воздуха и осадками СКМ ПТБЗ позволил выявить граничные температуры для определения перехода между формами осадков. Граничная температура между твердыми и жидкими осадками составляет 1°С, между смешанными формами - 0,70°С.

Сформированный и распределенный на плоскости массив метеоинформации представляет собой входные значения для моделирования накопления и стаивания снега для каждой ячейки

Модель снеготаяния была адаптирована для условий Южного Подмосковья. Для калибровки коэффициентов стаивания были привлечены данные о среднесуточном объеме речного стока в замыкающем створе бассейна за 20022005 гг. и фрагментарные данные о высоте снежного покрова и его плотности (ИФПБ РАН)

При установлении коэффициентов стаивания, использован критерий:

0*»«т(тг-,) =сот(> (4)

0-ПО(! (ПИК)

где <2водоот (транс) - водоотдача снежного покрова, после наложения единичного гидрографа м3/сут, 0,п0в(тк) - поверхностный речной сток в области пика гидрографа, м3/сут.

Определение кривой добегания (единичного гидрографа) производилось на основании разработанной методики по натурным данным. Анализ паводков безморозного периода позволил выделить 10 паводков, пригодных для расчета единичного гидрографа. Это паводки, у которых стокоформирующие осадки наблюдались в течение одних суток. Приращение среднесуточных значений стока составило более 0,05 м3/с. Для определения кривой добегания, отвечающей условиям снеготаяния, был произведен пересчет осредненных значений стока за 24 часа при условии, что пик и начало спада паводка (максимум водоотдачи) приходится на дневную половину суток (рисунок 8)

07 0« 5 0.5 04 0.3

— Нояб04

— Апр05-1

— МвА05 1

Л — МВЙ05-3

шш — Июль 05

— Ои05-|

— 0я05 2 — Сеи02 2

- 0я04 1 — Апр04-1

**-ЕГ - осредненный —1-1-1

27 032003 03042003 10 042003 17 042003 24 04 2003

_д™_

[и Тводоот мм/суг(прикс=3.3)|

27 03 2003 03 04 2003

10042003 Дата

17 04 2003 24 04 2003

—О мЗ/с * ОводоотСгранс). мЗ/с (пои кс=3.3)

-Отраве (при Ун="60мм) мЗ/с 1водоот(транс) /Опов_

Рисунок 8 - Адаптация модели водоотдачи снежного покрова для условий Южного Подмосковья (Пример расчетов снеготаяния 2003 г.)

Коэффициенты стока {у/) за паводок определялся по следующей формуле. у, =3,6-^-Ш^ШЛ, (5)

где £<2, - сумма среднесуточных расходов в замыкающем створе, м /с;

>031

- сумма среднесуточных расходов базисного стока, м3/с; Лг - расчетный временной интервал (24 ч.), Ё - площадь водосборного бассейна, км2; Шос, - количество осадков, мм/Л; <2„01!,у =Qj - QsaзJ - измеренный поверхностный сток, м3/с,

Ординаты единичных гидрографов (и) определялись по методу наименьших квадратов1

т 2

где £>*„<*у - рассчитанный поверхностный сток, м3/с; т - число ординат гидрографа с шагом А(, и - ордината единичного гидрографа в интервале Ли

Последовательный подбор коэффициентов стаивания проведен в интервале от 2,0 до 4,0 с шагом 0,2. Расчет водоотдачи снежного покрова (по модели, реализованной в программе МаЙЬАВ2007Ь) и оценка отношения поверхностного стока к рассчитанной водоотдаче по принятой гипотезе (рисунок 8) позволили выявить, что для главной фазы снеготаяния коэффициент стаивания составляет в среднем 3,5 мм/°С-день, для осеннего периода - 2,5 мм/°С-день, для зимнего - 0,75 мм/°С день На основе полученных коэффициентов проведена адаптация корреляционной зависимости, полученной М Хельмсом (2005) для водосборного бассейна р Костромы Полученная зависимость имеет вид (рисунок 9): к^1 + 1 + е<^>> (7)

где кс - коэффициент стаивания, мм/°С; - индекс дня, = 1 (1 Марта)

Дата

« кс (р Кострома 1970-1986), мм/°С по М Хельмсу (2005) • кс (р Любожиха 2003-2005 гг), мм/°С

__(2)_

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента стаивания от индекса дня для условий р.Костромы (1) и р. Любожихи (2)

После адаптации модели водоотдачи снежного покрова, выполнялся расчет слоя весеннего склонового стока, входящего в эмпирическую модель смыва почв. Установлено, что в 2003 году весенний склоновый сток с зяби составил 62 мм, для 2004 г - 57 мм, для 2005 г. - 92 мм На основании полученных значений рассчитаны потери почвы с водосборного бассейна за период весеннего снеготаяния. Идентификация многофакторной зависимости средней многолет-

ней величины потерь почв стоком весенних талых вод от крутизны склона, видов произрастающих на них сельскохозяйственных культур и типов почв выполнялась с учетом средних многолетних значений величины запаса воды в снежном покрове перед началом снеготаяния и количества осадков, выпавшего за период образования склонового стока. Для 2003 года величина весеннего склонового стока близка к средней многолетней. Максимальное значение эрозионного смыва почв за этот год составляет 14 т/га. Максимальный смыв отмечен на занятых под пашню участках с уклоном 8° с сильно смытыми светлосерыми лесными почвами. Интенсивность склоновой эрозии снижается на участках бассейна занятых задернованными склонами. В балках отмечается аккумуляция продуктов смыва. Максимальный смыв с задернованных участков составляет 0,18 т/га. На залесенных участках максимальный смыв почв составляет 0,06 т/га. При уклонах до 3° на неэродированных и слабоэродированных тяжелосуглинистых почвах смыв с зяби не превышает 3 т/га, на среднесуглинистых почвах - 4 т/га Для средне- и сильносмытых почв уже при уклонах 3° смыв с зяби достигает 5 т/га Оценка сходимости рассчитанных потерь почвы, на основании сравнения с фактическими данными представлена в таблице 2

Таблица 2 - Оценка сходимости значений потерь почвы на склонах с разной крутизной

Почва серая лесная тяжелосуглинистая, агрофон - зябь Потери почвы, т/га Сходимость, %

Рассчитанные значения Фактические данные (ИФПБ РАН)

Уклон 2° 1,6 1,73 8

Уклон 5° 5,3 6,20 17

Уклон 8° 9,8 11,2 14

В сценарных исследованиях, выполненных с помощью имитационной модели смыва почвы, изучалось влияние агромелиоративных мероприятий на интенсивность эрозионных процессов. Были рассмотрены пять сценариев агромелиоративных мероприятий.

Зяблевая вспашка. Результаты расчетов показали, что на тяжелосуглинистых почвах с уклонами более 1,5°, среднесуглинистых и эродированных почвах с уклонами более 1° наблюдалось превышение допустимого смыва почв на 33% сельскохозяйственных угодий (рисунок 10).

Безотвальная вспашка на глубину 20 см По второму сценарию для земель, на которых наблюдался недопустимый смыв при сценарии 1, было выполнено моделирование с применением данного агромелиоративного приема. Для тяжелосуглинистых почв превышение допустимых потерь почвы зафиксировано на землях с крутизной более 2,5° для тяжелосуглинистых почв, для среднесуглинистых и эродированных почв - более 1,5°. В результате площадь земель, имеющих недопустимый смыв, уменьшилась почти на 10 % и составила 24%.

Возделывание озимых культур в сочетании с глубокой безотвальной вспашкой. В результате данного агромелиоративного приема на тяжелосуглинистых почвах с уклонами более 3°, среднесуглинистых и эродированных почвах с уклонами более 2° наблюдалось превышение допустимого смыва почв. В результате площадь сельскохозяйственных угодий с недопустимым смывом сократилась до 13 %.

Возделывании озимых культур, глубокая вспашка, щелевание на 40-50 см с нарезанием щелей через 7-8 м. На землях с крутизной более 4° для тяжелосуглинистых почв, более 3° - для среднесуглинистых и эродированных почв зафиксирован недопустимый смыв. Применение данного агротехнического приема сокращает площадь земель с недопустимым смывом до 7%.

37°32'0" ЗГ'ЗЗ'О" 37°34"0" 37'35'СГ 37°36'0" 37*37'СГ 37°38'01

ЛЕГЕНДА

X Водомерный пост

- Река

- Притоки

I I Граница водосбора

допустимый смыв [ШИН недопустимый смыв

Рисунок 10 - Карта-схема прогноза смыва почвы при сценарии 1

При возделывании многолетних трав на всех склонах с уклонами более 5°не отмечается превышение допустимого смыва.

В результате проведенных исследований установлено, что для малого балочного водосбора необходим дифференцированный подход к выбору агротехнических мероприятий в зависимости от крутизны склона и типа почвы.

В пятой главе предлагается разработанныя агроэкологическая классификация земель с обозначением противоэрозионных агромелиоративных мероприятий и почвозащитных севооборотов, сформированная на основании проведенных сценарных исследований. Земельная территория бассейна р.Любожихи была разделена на шесть категорий, близких по рельефным, почвенно-

эрозионным, гидрологическим и агротехническим условиям и по потребности в мелиорации (рисунок 11).

Основная задача противоэрозионных агромелиоративных мероприятий заключается в уменьшении поверхностного стока путем задержания воды на склонах и обращение ее во внутрипочвенный сток.

ЛЕГЕНДА

X

Водомерный пост

- Река

-Притоки

Категории □ 1

га 2

И 3 М 4

ЕЗ б

ЕЗ Водные объекты ЕЭ Населенные пункты

Рисунок 11 - Карта-схема категорий земель бассейна

На землях первой категории (584 га) - водораздельные территории и верхние части пахотных склонов с уклоном до 1°, местами до 2° рекомендовано регулировать сток талых вод, путем зяблевой вспашки. На этих землях возможно возделывание всех районированных культур.

На землях второй категории (251 га) - средние части длинных пахотных склонов крутизной 2°—3° - рекомендованы специальные севооборотные массивы с увеличением доли многолетних трав. При этом противоэрозионную защиту земель этой категории необходимо осуществлять с учетом регулирования поверхностного стока воды на землях категории 1. В качестве основных противоэрозионных агротехнических приемов рекомендуется глубокая безотвальная вспашка. Эффективным мероприятием является полосное размещение культур сплошного сева по парам и зяби. Вместе с защитой склоновых земель от эрозии применение этих мероприятий обеспечивает влагонакопление в почве.

Третья категория (159 га) - нижние части склонов крутизной 3°—5° и более. На данных землях рекомендуется применение гребнистой вспашки, которая снижает смыв почв и усиливает накопление влаги. На этих землях размещают культуры сплошного сева с хорошими почвозащитными свойствами — озимые и яровые зерновые, бобовые, крупяные, однолетние и многолетние травы, а также подсевные и озимые промежуточные культуры. Допускается при-

менение паров с посевом многолетних трав в виде буферных полос. Для увеличения водопроницаемости почв рекомендуется щелевание.

Четвертая категория (120 га) включает участки склонов от 5 до 8° с силь-носмытыми почвами, а также участки склонов, заброшенных не используемых в сельскохозяйственном обороте из-за сильного разрушения эрозией. На этих землях рекомендуется размещать зернотравные почвозащитные севообороты, а также, после залужения, отводить под пастбища Земли, малоценные для сельскохозяйственного использования отводятся под лес. Для защиты почв от эрозии на окультуренных пастбищах, засеянных кормовыми травосмесями, и на пастбищах с разнотравьем рекомендуется ежегодное поздне-осеннее щелевание через 1-3 м на глубину 50-60 см.

Пятая категория (76 га) включает балочные и овражные земли (уклон более 8°) Такие земли необходимо использовать в качестве сенокосов и пастбищ. Основными мероприятиями борьбы с эрозией должны стать, устройство на пастбищах распылителей стока, водонаправляющих валов и нагорных каналов, водозадерживающих валов-террас с широким основанием.

Шестая категория (655 га) включает все имеющиеся в хозяйстве лесные насаждения и защитные лесные полосы на сельскохозяйственных землях, которые оказывают большое мелиорирующее воздействие на весь агроландшафт Основное внимание должно быть обращено на повышение продуктивности этих насаждений.

Эколого-экономическое обоснование дифференцированного

использования земель в пределах водосбора и применения противоэрозионных агромелиоративных мероприятий произведено на основе существующих методик расчета экономической эффективности (Ээкон) и экологической эффективности, выраженной через эффект плодородия (Эм)

Общая эколого-экономическая эффективность определялась по формуле

Эагр= Ээкт+ Э™ = YÁÁ^Mnpobt -¿Zav) J¡Zgf+ ^ш^КРС, (8)

где AYt- урожайность т/га, А2 „родГ цена продукции, руб/т; AZ агр, - затраты на проведение комплекса агротехнических мероприятий, руб/га, Б - норма дисконта, принята равной 0,07; t =1.. . п (п=20 лет) - срок эффективного использования пахотных земель; AGn- изменение запасов гумуса, т/га; kKpc коэффициент гумификации для навоза КРС; Zkpc цена навоза КРС, руб/т.

Расчеты производились отдельно для каждой категории земель Результаты расчетов показали, что ежегодная прибавка урожая за счет сохранения гумуса и повышения влагообеспеченности культур составляет 10-15%.

Расчетный эколого-экономический эффект на склоновых землях составляет 375 руб/га Затраты на проведение мероприятий составляют 500-600 руб/га. Сравнение затрат показывает, что срок окупаемости дополнительных агромелиоративных мероприятий составляет в среднем 2-3 года

Выводы

1. Анализ публикаций показал, что в Российской Федерации 12,6 млн.га пашни расположены на склоновых землях в бассейнах малых рек, где ежегодно в результате водной эрозии теряется 1,5 млрд. тонн почв, 18-20 млн тонн питательных веществ, что приводит к деградации земель и снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности склоновых земель необходимо проведение агромелиоративных мероприятий. Обоснование мероприятий предполагает детальное изучение природных условий, прогноз развития эрозионных процессов с применением современных математических моделей, оценку эко-лого-экономической эффективности предлагаемых мер Принятие эффективных решений при выборе агромелиоративных мероприятий возможно только с использованием современных информационных технологий.

2. Предложена комплексная модель прогнозирования эрозионных процессов, включающая синтез модулей расчета водоотдачи снежного покрова, аккумуляции талых вод в почве, склоновой эрозии Использование данной модели позволяет учитывать особенности процессов формирования поверхностного стока, определяющего интенсивность эрозионных процессов в период весеннего снеготаяния на склоновых землях. Прогноз фактических условий снеготаяния осуществляется с использованием данных о температурном режиме воздуха, температуре и влажности почв, количества выпавших осадков за период весеннего снеготаяния.

3. Расчет динамики водоотдачи при снеготаянии предложено выполнять на основе коэффициентов стаивания снежного покрова. Для установления коэффициентов стаивания была разработана методика расчета единичного гидрографа. Методика может быть использована для прогнозирования речного стока в половодье в природных условиях Нечерноземной зоны. В результате исследований получены численные значения коэффициентов стаивания снежного покрова для условий Южного Подмосковья и установлена их корреляционная зависимость от фазы снеготаяния. Установлено, что для главной фазы снеготаяния коэффициент составил 3,5 мм/°С в день, осеннего и зимнего периода — 2,5 и 0,75 мм/°С в день соответственно

4. Разработана методика прогнозирования эрозии почв при весеннем снеготаянии на основе комплексной модели с использованием созданной с помощью ГИС цифровой модели территории. Методика позволяет выполнить визуализацию исходных и прогнозных данных, дать пространственную оценку интенсивности эрозионных процессов.

5. Предложена методика принятия решений по обоснованию выбора комплекса противоэрозионных агромелиоративных мероприятий на основе сценарных исследований. Назначение мероприятий производится последовательно для всех элементов склонов с учетом фактического размещения возделываемых культур. В качестве экологических ограничений использованы допустимые потери почвы, принимаемые с учетом типа почвы и степени ее смы-тости.

6. Разработана информационная технология поддержки принятия ре-

шений по выбору эффективных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек. Технология включает следующие этапы1

❖ сбор исходной информации по климатическим, гидрологическим, почвенным условиям речного бассейна;

❖ математическую обработку исходной информации и создание базы данных ГИС речного бассейна,

❖ реализацию комплексной модели эрозии почв с помощью пакета прикладных программ, ее адаптация к конкретным условиям водосбора;

❖ прогноз и расчет возможных потерь почвы с водосбора на основе разработанной методики при заданных условиях снеготаяния и различных сценариях использования земель в бассейне;

❖ назначение агротехнических мероприятий и схем размещения сельскохозяйственных культур

7 Информационная технология апробирована на примере бассейна малой реки Любожихи. Осредненные ло водосборному бассейну результаты оценки потерь почвы по среднемноголетним климатическим данным показали, что максимальные потери почв с задернованных участков составляют ОД 8 т/га, на залесенных участках - 0,06 т/га. На склоновых землях с уклонами поверхности до 3° для несмытых и слабосмытых почв потери почв с зяби не превышают 3 т/га, для средне- и сильносмытых - до 5 т/га. При уклонах более 5° на всех видах почв смыв с зяби превышает допустимые потери - 5 т/га. Сравнение результатов расчета с фактическими данными показало, что отклонения не превышают 17%

8. Для оценки экологической эффективности агромелиоративных мероприятий в условиях бассейна р Любожихи в соответствии с разработанной методикой принятия решений выполнены сценарные исследования с применением комплексной модели Рассмотрены варианты: 1 - зяблевая вспашка; 2 - глубокая безотвальная вспашка; 3- глубокая безотвальная вспашка при возделывании озимых культур; 4 - щелевание в сочетании с возделыванием озимых культур; 5 - возделывание многолетних трав. По результатам моделирования для среднемноголетних значений склонового стока при зяблевой вспашке превышение допустимых норм смыва почв отмечено на 33% площади В результате глубокой безотвальной вспашки площадь земель, на которых был зафиксирован недопустимый смыв, составила 24%. При глубокой безотвальной вспашке в сочетании с возделыванием озимых культур превышение допустимого смыва почв наблюдается на 13% исследованных земель, щелевание согфащает площадь сельскохозяйственных земель с недопустимым смывом до 7%. При возделывании многолетних трав смыв почвы не превышал допустимые значения.

9 В результате исследований разработана агроэкологическая группировка земель для малого балочного водосбора и обосновано применение эффективных агромелиоративных мероприятий в зависимости от крутизны склонов. На землях с уклонами 1-2° рекомендована зяблевая вспашка поперек склона, при уклонах 2-3° - глубокая безотвальная вспашка или глубокое рыхление; при уклонах 3-5° щелевание на фоне зяблевой вспашки с полосовым

посевом культур, при уклонах 5-8° залужение и проведение щелевания; при уклонах более 8° предложено использование земель в качестве естественных сенокосов

10. Применение разработанного комплекса агромелиоративных мероприятий на склоновых землях обеспечивает снижение потерь почв до допустимых пределов и ежегодное сохранение в среднем 0,2 т/га гумуса в пахотном слое. Расчетный эколого-экономический эффект за счет снижения потерь гумуса на склоновых землях составляет 375 руб/га. Сравнение затрат показывает, что срок окупаемости дополнительных агромелиоративных мероприятий составляет 2-3 года.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Киселева O.E. Применение ГИС-технологий для мелиоративного освоения бассейнов малых рек / Коломийцев HB// Международная Комиссия по ирригации и дренажу «Производство продовольствия и вода, социально-экономические проблемы ирригации и дренажа»- тез Междунар конф, Москва, 8-10 сентября 2004 - М., 2004. - С. 134-135

2. Киселева O.E. Влияние эрозионного стока на загрязнение вод р. Любожихи / Керженцев АС., Сухановский Ю.П. и др// Международный научно-промышленный форум «Великие реки 2004». тез. Междунар. конф., Н. Новгород, 18-21 мая 2004. - Нижегород гос. архит.-строит. ун-т, 2004 - С 7778

3. Киселева О.Е Использование возможностей компьютерного картографирования для оценки экологического состояния водных объектов / Коломийцев Н.В., Ильина Т.А. // «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Костяковские чтения): докл. Международ, конф., Москва, 30 марта 2005. - М.: Изд ВНИИА, 2005 -С.367-371.

4. Киселева O.E. Геоинформационная под держка принятия решений при мелиоративном освоении бассейнов малых рек / Коломийцев Н.В. // «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Костяковские чтения) докл Международ. конф., Москва, 30 марта 2005. - М.: Изд. ВНИИА, 2005. - С. 376-379.

5 Киселева O.E. Создание ГИС бассейна малой реки как основа его сельскохозяйственного освоения // Материалы Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию РГАУ-МСХА имени К.А Тимирязева, 1-2 июня 2005 - М., 2006 - С. 669-675.

6 Киселева O.E. Влияние эрозионного стока на загрязненность вод малых рек /Керженцев А.С, Волокитин MB и др. // Мелиорация и водное хозяйство, 2006. - №5. - С.33-35.

7. Киселева O.E. Эрозия почв как фактор формирования состава и качества донных отложений водных объектов / Коломийцев Н В., Ильина Т.А. В кн. Моделирование эрозионных процессов на территории малого водосборного

бассейна/ А С. Керженцев, Р Майснер и др., Ин-т фундамент. Проблем биологии РАН.- М.: Наука, 2006 - ISBN 5-02-034205-Х. С 171-193.

8. Киселева O.E. Моделирование формирования стока малой реки при наличии данных наблюдений за стоком / Хельмс М // Международная научно-практическая конференция «Проблемы устойчивого развития мелиорации и рационального природопользования» (Костяковские чтения)' докл Между-нар конф -М Изд.ВНИИА,. 2007. -Т 2.-С 121-124.

Подписано к печати 16.04 2008 г Заказ 9 Тираж 100 ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии 127550, Москва, ул Б Академическая, 44

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Киселева, Ольга Евгеньевна

Введение Общая характеристика работы.

Глава 1 Состояние вопроса управления техно-природными системами бассейнов малых рек с помощью ГИС.

1.1 Критерии выделения и особенности малых рек.

1.2 Регулирование процесса поверхностного склонового стока на основе внедрения адаптивно-ладшафтной системы земледелия.

1.3 ГИС бассейна малой реки как основа поддержки принятия решений

1 j' 1; ■ по его сельскохозяйственному освоению.

1.3.1 Основные понятия и определения ГИС и СППР.

1.3.2 Анализ современных информационных систем, применяемых для' обоснования агромелиоративных мероприятий.

1.3.3 Анализ современных моделей эрозии почв.

Глава 2 Характеристика модельной территории (бассейн малой реки Любожихи).

2.1 Обоснование типичности объекта исследований.

2.2 Физико-географические условия.

2.2.1 Климат.

2.2.2 Геологическое строение и рельеф.

2.2.3 Растительность.

2.2.4 Почвы.

2.3 Регистрация гидрометеонаблюдений на водосборе р. Любожихи.

Глава 3 Теоретические и методические основы разработки информационной технологии 111 IP по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек.

3.1 Обоснование выбора модели эрозионных потерь почв.

3.2 Разработка комплексной модели прогнозирования эрозионных потерь почвы со склонов в период весеннего снеготаяния.

3.2.1 Модель формирования снежного покрова и снеготаяния.

3.2.2 Методика формирования базы метеоданных в условиях неопределенности для малого водосборного бассейна.

3.2.3 Прогнозирование весеннего склонового стока.

3.3 Методика прогнозирования эрозионных процессов на основе ГИС бассейна малой реки.

3.4 Методика сценарных исследований использования пахотных земель на малом водосборе.

3.5 Информационная технология ППР по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек.

Глава 4 Основные результаты исследований.

4.1 Апробация комплексной модели прогнозирования эрозионных процессов для водосборного бассейна р. Любожихи.

4.1.1 Получение массива метеоданных.

4.1.2 Верификация эмпирической модели водоотдачи снежного покрова.

4.2 Апробация разработанной информационной технологии ППР по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек для водосборного бассейна р. Любожихи.

4.2.1 Формирование блока «Исходная информация».

4.2.2 Реализация методики прогнозирования интенсивности эрозионных процессов.

4.2.3 Реализация методики поддержки принятие решений на основе сценарных исследований

Глава 5 Ландшафтно-экологическая организация территории на основе информационной технологии принятия решений.

5.1 Агроэкологическая оценка и группировка земель.

5.2 Почвозащитные севообороты на склоновых землях.

5.3 Эколого-экономическое обоснование применения комплекса агромелиоративных мероприятий.

Выводы.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек"

Актуальность темы. В Государственной программе развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2008-2012 годы предусмотрено проведение мероприятий по сохранению и повышению почвенного плодородия, рациональному использованию земель сельскохозяйственного назначения. Важное место при охране и рациональном использовании земельных ресурсов занимает защита почв от эрозии. По данным Минэкономразвития и торговли в Российской Федерации на 1 января 2007 года водной эрозии подвержено 17,8% площади сельскохозяйственных угодий, из них 95% расположено в бассейнах малых рек.

Защита почв от эрозии является важнейшим звеном в системе адаптивно -ландшафтного земледелия. Многочисленными исследованиями доказано, что применение агромелиоративных мероприятий позволяет предотвратить эрозионные процессы на склоновых землях. Научно обоснованный выбор комплекса агромелиоративных мероприятий предполагает использование современных моделей эрозии почв. Среди существующих моделей эрозии наиболее приемлемыми для практического применения являются эмпирические. В тоже время эмпирические модели не позволяют производить прогнозирование процесса эрозии и недостаточно учитывают особенности процесса смыва почв на склоновых землях. Для обоснования эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий необходим синтез эмпирических и физико-математических моделей, что позволит проводить прогноз интенсивности водно-эрозионных процессов. Надежность принимаемых решений может быть повышена за счет использования современных геоинформационных систем (ГИС).

Целью работы является разработка информационной технологии поддержки принятия решений для обоснования выбора эффективных противоэрозионных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек.

Для реализации указанной цели были поставлены следующие задачи: — выполнить анализ существующих информационных систем, применяемых для обоснования агромелиоративных мероприятий; изучить современные модели, позволяющие рассчитать потери почв при водной эрозии на склонах; выбрать и усовершенствовать эмпирическую модель эрозии почв с учетом фактических условий снеготаяния; разработать методику создания цифровой модели территории для прогнозирования процесса эрозии почв; разработать и реализовать комплексную модель и методику прогнозирования потерь почвы на склоновых землях в период весеннего снеготаяния; разработать методику и технологию автоматизированного выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на склоновых землях.

Научная новизна: разработана информационная технология поддержки принятия решений по выбору противоэрозионных агромелиоративных мероприятий с учетом особенностей процесса снеготаяния на склоновых землях бассейнов малых рек; установлена корреляционная зависимость коэффициента стаивания снежного покрова от фазы снеготаяния для условий Южного Подмосковья; разработана методика расчета единичного гидрографа речного стока для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаяния; разработана методика принятия решений на основе сценарных исследований по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий на землях с различными уклонами.

Основные положения, выносимые на защиту: комплексная модель для прогноза потерь почвы со склонов при весеннем снеготаянии, основанная на синтезе моделей водоотдачи снежного покрова, аккумуляции талых вод в почве, склоновой эрозии; методика прогнозирования интенсивности эрозионных процессов при весеннем снеготаянии на основе разработанной комплексной модели и цифровой модели территории речного бассейна; методика расчета единичного гидрографа для прогнозирования поверхностного стока в период весеннего снеготаяния; информационная технология поддержки принятия решений по обоснованию выбора эффективных агромелиоративных мероприятий для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности эрозионно-опасных склоновых земель.

Методика исследований основана на анализе и обобщении натурных исследований Института фундаментальных проблем биологии РАН (ИФПБ РАН), отечественных и зарубежных публикаций, статистической обработке массивов данных Росгидромета, применении современных программных средств работы с картографической информацией (ArcGIS 9.2) и базами данных (MS ACCESS), программировании и математическом моделировании.

Научная гипотеза: Разработка информационной технологии поддержки принятия решений на основе ГИС водосборного бассейна и математического моделирования вводно-эрозионных процессов позволит повысить обоснованность выбора агромелиоративных мероприятий.

Практическая значимость. Разработанная технология обеспечивает информационную поддержку землепользователю при выборе рационального варианта аг- ' ромелиоративных мероприятий с учетом почвенных и морфометрических характеристик рельефа, фактических и прогнозируемых условий снеготаяния.

Результаты исследований использовались в лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН, а также при составлении ежегодных отчетов- ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии по программе РАСХН по теме 03.02.02.1 «Разработать технологии и мероприятия по снижению техногенной нагрузки на водные объекты АПК» и в отчетах по Государственному контракту от 07 ноября 2005 г. № 02.434.11.7026 «Исследование эрозионных процессов и разработка концепции рационального использования эрозионно-опасных земель «Эрозия».

Личный вклад соискателя заключается в разработке научной гипотезы, постановке программы исследований, теоретическом и методическом обосновании научно-исследовательских работ, проведении численных экспериментов, обобщении результатов исследований; разработке методик, на основании которых осуществляется выбор эффективных агромелиоративных мероприятий, проведении агроэколо-гической компоновки земель для малого балочного водосбора.

Апробация работы. Материалы исследований рассматривались на секциях Ученого Совета ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии в 2002-2006 годах, результаты исследований и основные положения были доложены на: Межрегиональной конференции МКИД «Производство продовольствия и вода: социально-экономические проблемы ирригации и дренажа» (г. Москва, 8-10 сентября 2004 г.), Международной конференции: «Наукоемкие технологии в мелиорации» (Москва, ВНИИГиМ, 30 марта 2005 г.), Международной научной конференции молодых ученых «Молодые ученые - аграрной науке» (Москва, МСХА им. К.А. Тимирязева, 1-2 июня 2005 г.), заседании отдела Гидрологии Института водного хозяйства и управления бассейнами рек (Университет Карлсруэ, ФРГ, июль 2005 г.). Работа рассматривалась и обсуждалась на Научном семинаре Лаборатории функциональной экологии Института фундаментальных проблем биологии РАН (Пущино, 5 июля 2007г.).

Публикации

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 1 - в журнале, рекомендованном ВАК России.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений, изложена на 150 страницах основного текста, включая 37 рисунков и 17 таблиц. Список использованной литературы содержит 205 наименований, в том числе 43 работы зарубежных авторов.

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Киселева, Ольга Евгеньевна

Выводы

1. Анализ публикаций показал, что в Российской Федерации 12,6 млн.га пашни расположены на склоновых землях в бассейнах малых рек, где ежегодно в результате водной эрозии теряется 1,5 млрд. тонн почв, 18-20 млн. тонн питательных веществ, что приводит к деградации земель и снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Для предотвращения эрозионных процессов и повышения продуктивности склоновых земель необходимо проведение агромелиоративных мероприятий. Обоснование мероприятий предполагает детальное изучение природных условий, прогноз развития эрозионных процессов с применением современных математических моделей, оценку эколого-экономической эффективности предлагаемых мер. Принятие эффективных решений при выборе агромелиоративных мероприятий возможно только с использованием современных информационных технологий.

2. Предложена комплексная модель прогнозирования эрозионных процессов, включающая синтез модулей расчета водоотдачи снежного покрова, аккумуляции' талых вод в почве, склоновой эрозии. Использование данной модели позволяет учитывать особенности процессов формирования, поверхностного стока, определяющего интенсивность эрозионных процессов в период весеннего снеготаяния на склоновьгх землях. Прогноз фактических условий снеготаяния осуществляется с использованием данных о температурном режиме воздуха, температуре и влажности почв, количества выпавших осадков за период весеннего снеготаяния.

3. Расчет динамики водоотдачи при снеготаянии предложено выполнять на основе коэффициентов стаивания) снежного покрова. Для установления, коэффициентов стаивания была разработана методика расчета единичного гидрографа. Методика, может бьгть использована для прогнозирования речного стока в, половодье в природных условиях Нечерноземной зоны. В результате исследований получены численные значения коэффициентов' стаивания снежного покрова для условий Южного Подмосковья и установлена их корреляционная зависимость от фазы снеготаяния. Установлено, что для главной фазы снеготаяния коэффициент составил 3,5 mm/°G в день, осеннего и зимнего периода — 2,5 и 0,75 мм/°С в день соответственно.

4. Разработана методика прогнозирования1 эрозии почв при весеннем снеготаянии на основе комплексной модели с использованием созданной с помощью ГИС цифровой модели территории. Методика позволяет выполнить визуализацию исходных и прогнозных данных, дать пространственную оценку интенсивности эрозионных процессов.

5. Предложена методика принятия? решений по обоснованию выбора комплекса противоэрозионных агромелиоративных мероприятий на основе сценарных исследований. Назначение мероприятий производится последовательно для всех элементов склонов с учетом фактического размещения возделываемых культур. В качестве экологических ограничений использованы допустимые потери почвы, принимаемые с учетом типа почвы и степени ее смытости.

6. Разработана информационная технология поддержки принятия решений по выбору эффективных агромелиоративных мероприятий в бассейнах малых рек. Технология включает следующие этапы: сбор исходной информации по климатическим, гидрологическим, почвенным условиям речного бассейна; математическую обработку исходной информации и создание базы данных ГИС речного бассейна; реализацию комплексной модели эрозии почв с помощью пакета прикладных программ, ее адаптация к конкретным условиям водосбора; прогноз и расчет возможных потерь почвы с водосбора на основе разработанной методики при заданных условиях снеготаяния и различных сценариях использования земель в бассейне; назначение агротехнических мероприятий и схем размещения сельскохозяйственных культур.

7. Информационная технология апробирована на примере бассейна малой реки Любожихи. Осредненные по водосборному бассейну результаты оценки потерь почвы по среднемноголетним климатическим данным показали, что максимальные потери почв с задернованных участков составляют 0,18 т/га, на залесённых участках - 0,06 т/га. На склоновых землях с уклонами поверхности до 3° для несмытых и слабосмытых почв потери почв с зяби не превышают 3 т/га, для средне- и сильносмытых - до 5 т/га. При уклонах более 5° на всех видах почв смыв с зяби превышает допустимые потери - 5 т/га. Сравнение результатов расчета с фактическими данными показало, что отклонения не превышают 17%.

8. Для оценки экологической эффективности агромелиоративных мероприятий в условиях бассейна р.Любожихи в соответствии с разработанной методикой принятия решений выполнены сценарные исследования с применением комплексной модели. Рассмотрены варианты: 1 - зяблевая вспашка; 2 - глубокая безотвальная вспашка; 3- глубокая безотвальная вспашка при возделывании озимых культур; 4 - щелевание в сочетании с возделыванием озимых культур; 5 -возделывание многолетних трав. По результатам моделирования для среднемноголетних значений склонового стока при зяблевой вспашке превышение допустимых норм смыва почв отмечено' на 33% площади. В' результате глубокой-безотвальной вспашки площадь» земель, на которых был зафиксирован недопустимый смыв, составила 24%. При глубокой безотвальной вспашке в сочетании с возделыванием озимых культур превышение допустимого смыва почв наблюдается на 13% исследованных земель, щелевание сокращает площадь сельскохозяйственных земель с недопустимым смывом до 7%. При возделывании многолетних трав смыв почвы не превышал допустимые значения.

9. В результате исследований разработана агроэкологическая группировка земель для' малого балочного водосбора и обосновано применение эффективных агромелиоративных мероприятий в зависимости от крутизны склонов. На землях с уклонами 1-2° рекомендована зяблевая вспашка поперек склона, при уклонах 2-3° — глубокая безотвальная вспашка или глубокое рыхление; при уклонах 3-5° щелевание на фоне зяблевой вспашки с полосовым посевом культур; при уклонах 5-8° залужение и проведение щелевания; при уклонах более 8° предложено использование земель в качестве естественных сенокосов.

10. Применение разработанного комплекса агромелиоративных мероприятий на склоновых землях обеспечивает снижение потерь почв до допустимых пределов и ежегодное сохранение в среднем 0,2 т/га гумуса в пахотном слое. Расчетный эколого-экономический эффект за счет снижения потерь гумуса на склоновых землях составляет 375 руб/га. Сравнение затрат показывает, что срок окупаемости дополнительных агромелиоративных мероприятий составляет 2-3 года.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Киселева, Ольга Евгеньевна, Москва

1. Агроклиматический справочник по Московской области. М.: Моск. рабочий^ 1967.- 135 с.

2. Ажигиров А.А., Голосов В.Н., Литвин Л.Ф. Эрозия на сельскохозяйственных землях и. проблема защиты малых рек / Малые реки центра Русской равнины, их использование и охрана: Сб. ст. / Моск. фил. Геогр. о-ва СССР; отв. ред Н.П. Матвеев. Mi, 1988;-С. 15-24.

3. Актуальные вопросы эрозиоведения / Под ред А.Н: Каштанова, М.Н. Заславского. ~ Mi: Колос, 1984. 2:24 с.

4. Алексеевский Н.И., Коронкевич Н.И., Литвин Л.Ф, Чалов Р.С., Ясинский С.В. Сток и эрозия почвы на водосборах как.факторы экологической обстановки на реках//Изв. РАН. Сер. геогр. 2000: № 1. - С. 52-63.

5. Алифанов B.I I. Эколого-исторический анализ почвенно-климатических условий южного Подмосковья// Биопродуктивность агроценозов как комплексная: проблема. Сб. науч. тр; Пущино, 1985. С. 20-28:,

6. Антропогенные воздействия на водные ресурсы России и сопредельных государств а конце XX-столетия//Коронкевич Н.И:, Зайцева И.С., Черногаева Г.М. и др.; Рос. АН; Ин-т. географии. М.: Наука, 2003. - 367с.

7. Аполлов Б.А., Калинин Г.П, Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. -Л.: Гидромстеоиздат, 1974. 420 с.

8. Афанасьев B.Hi, Юзбашев М.М. Анализ временных рядов и прогнозирование: Учебник. М.: Финансы ncTaracTHKaj 2001. -228 с.

9. Барабанов А.Т. Агролесомелиорация в почвозащитном земледелии. — Волгоград, 1993. 68 с.

10. Белолюбцев А.И; Регулирование режимов защиты почв от эрозии в адаптивно12