Актуальность проблемы. Производство риса — одно из основных направлений сельского хозяйства па Кубани. Посевные площади под рис в Краснодарском крас составляют боле 100 тыс. га, так как почвенно-климатическне условия края благоприятны для возделывания этой культуры н позволяют получать в производственных условиях при соответствующей технологии урожай от 7 до 10 т/га. Однако па сегодняшний день по статистическим данным урожайность риса остается сравнительно пс высокой — 3, 5 — 5,2 т/га [1].
Лимитирующими факторами роста урожайности риса являются мелиоративное состояние почв п дефицит пресной воды. В настоящее время в Краснодарском крае лишь 60, 1% площади рисовых оросительных систем находятся в хорошем состоянии, 19, 3% - в удовлетворительном, а 20, 6% - в неудовлетворительном состоянии по засолению почв н высокому уровню стояния грунтовых вод [205J.
Территория дельты реки Кубань, согласно эколого-лапдшафтиому зонированию [216], но комплексной экологической оценке па сегодня является кризисной в степени от слабой до сильной с прогнозным ухудшением экологической обстановки и с повышенной вероятностью подтопления. Существующая система земледелия не стала отвечать принципам рационального природопользования и охраны прпродпой среды.
Наиболее крупные массивы рисовых оросительных систем расположены в дельте реки Кубань. Особенности возделывания риса отличают эту культуру от других сельскохозяйственных растений. В результате затопления на рисовой оросительной системе (РОС) совершенно по-ппому формируются почвенные процессы.
Почвы РОС являются наиболее сложным объектом мелиорации. Грун товые воды под рисовым полем в межвегетациоииый период на значительной части площадей стоят недопустимо высоко. Возникает угроза поступления солей в почвенный горизонт. Вторичное засоление является следствием парушспня технологии орошения, огромных (до 40%) потерь воды па инфильтрацию из магистральных и распределительных каналов. В итоге почвенный горизонт превращается в аккумулятор солен, выпадающих в осадок при испарении минерализованных вод.
Из-за низкой фильтрации почв рисовой оросительной системы происходит подтопление прилегающих территорий. Подтопление земель особенно опасно в низовьях реки Кубань (поименные земли), где грунтовые воды сильно минерализованы.
Восстановление почвенного покрова требует десятилетий или столетии, а работы, но рекультивации с помощью технических средств требуют очень больших затрат. Потому необходима разработка методов предсказания состояния почв па всех этапах землепользования. Важно разработан, общую методологию, которая позволила бы наиболее полно предсказать состояние деградированных почв.
Нарушения экологического развития, снижение плодородия почв приходится возмещал" огромными дополнительными материальными и трудовыми затратами. Угроза дальнейшего ухудшения экологических условии, загрязнение водных источников и продукции возрастают вследствие неупорядоченных работ по охране природной среды.
Площади посева риса за последние 15 лет снизились более чем в 2 раза, а потребление воды изменилось незначительно. Необходимость поддержания заданных горизонтов воды па рисовых системах зачастую вступает в противоречие с требованиями экономии оросительной воды. В условиях ухудшения технического состояния гидротехнических сооружений сбросных и оросительных каналов, плохого состояния водоучета это приводит к большим непроизводительным потерям.
Несмотря на принимаемые меры наблюдается устойчивая тенденция к ухудшению экологической ситуации, что свидетельствует о принципиально!'} невозможности в рамках существующих подходов в природохозяйствеппой деятельности не только изменить тенденцию развития ситуации, но и стабилизировать ее. Снижение уровня неопределенности, улучшение информационного обеспечения принимаемых решений — один из ключевых моментов управления РОС. Оно может быть достигнуто за счет повышения надежности и полноты данных мониторинга, проведения дополнительных исследований, направленных на изучение природных связей, развития системы стандартов качества природной среды. Управление развитием природопользованием не может осуществляться изолированно, оно неразрывно связано с решением экологических и экономических проблем.
Каждая из оросительных систем неповторима по составу почвенного покрова, гидрогеологическим условиям, наличию естественного дренажа, качественному составу оросительной воды. Всё это оказывает существенное влияние па процесс почвообразования и эффективное плодородие земель и требует индивидуального подхода к их эксплуатации на основе глубокого изучения и совокупного учёта всех условий и факторов каждой оросительной системы. Только на такой основе могут быть запланированы действенные мероприятия, направленные па повышение продуктивности мелиорируемых земель.
Современная проблема охраны окружающей среды и рационального использования ресурсов заключается в комплексном учете всех возможных последствий хозяйственной деятельности человека с последующим управлением средой. Поэтому первоочередная задача науки заключается в разработке надежных методов прогноза развития процессов с последующим переходом к управлению их динамикой.
Результаты изысканий при изучении прпродно-мелиоративной обстановки на рисовой оросительной системе (РОС) представляют собой огромный ноток слабоупифицнроваииой информации. В одних случаях это приводит к сбору избыточных данных и непроизводительным затратам на их получение, в других случаях обнаруживается недостаточность данных. Оценка ирнродпо-мелноратпвпых условии требует дальнейшего совершенствования. Наиболее эффективным путём в этом направлении является автоматизация сбора, хранепия и обработки материалов иа ЭВМ с использованием математических методов, с созданием баз данных, то есть современных средств информации.
В настоящее время необходимы реальные и конкретные действия по методологическому обновлению сельскохозяйственной науки, по внедрению методик, вбирающих в себя передовой опыт познания природных объектов с использованием математических методов в сочетании с компьютерной переработке й и 11 форм, а ци и.
Информация в современных условиях перерастает в категорию важнейшего материального ресурса, открывающего потенциальные возможности для достижения поставленной цели. Наличие достоверной информации способствует повышению научной обоснованности прогнозов и комплексной оценки состояния окружающей среды, рациональному использованию природных ресурсов.
Поэтому необходимо научно — обоснованное комплексное управление рисовой оросительной системы, невозможное без достоверной своевременной и полной информации о состоянии объекта управления. Повышение качества информации о мелиоративном состоянии рисовой оросительной системы требует комплексного совершенствования системы контроля путем разработки методических материалов новых автоматизированных средств получения, обработки, хранения и передачи информации.
Предлагаемая в диссертации информационная модель основана па снс-темпо-когпитпвиом (СК) анализе больших объёмов данных о РОС и выявлении информативных показателей, позволяющих наиболее точно предсказывать интересующие исследователя свойства системы. В модели оценивается влияние каждого из факторов п их. комбинированное воздействие на основе внутрисистемных связей. Применение методов системного анализа при изучении сельскохозяйственного использования природных ресурсов обеспечивает комплексное рассмотрение техннко-экопомнчеекпх п экологических аспектов природопользования.
Наиболее актуальным сегодня в экологических исследованиях является не изучение отдельных частных характеристик процессов, а разработка концептуального подхода к анализу экологической проблемы. В связи с этим необходимо рассмотрение экологических вопросов в общей модели функционирования рисовой оросительной системы.
Поэтому научно-методическое обоснование качественно новой, комплексной, автоматизированной системы управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы является весьма актуальной и практически значимой задачей.
Таким образом, проблема, решаемая в работе, состоит в повышении урожайности и качества риса при сохранении и улучшении экологии путем создания адаптивной автоматизированной системы управления.
Исследование базируется на научных и практических результатах видных ученых в области рисоводства, охраны земель, автоматизации управления и системного анализа: С. Ф. Аверьянова, Е. Б. Величко, А. И. Голованова, Г. В. Добровольского, А. Д. Гумбарова, Е. В. Кузнецова, Е. В. Луцепко, А. Ф. Новиковой, Д. С. Орлова, Е. И. Панковой, И. И. Парфеновой, Ф. И. Персгудова, В. А. Попова, JI. M Рекс, Н. М. Решеткниой, Ф. П. Тарасепко, Н. С. Тур, В. М. Шестакова, Б. Б. Шумакова и др.
Целыо работы является улучшение экологии рисовых почв путем создания автоматизированной системы управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы.
Объектом исследования является мелиоративное состояние рисовой ороситсльной снстемы.
Предметом — многофакториые, слабодетермпиированиые процессы рисовой оросительной системы.
Работа выполнена в рамках темы «Повышение плодородия деградированных почв и разработка земельно-охранных мероприятии, создание моделей управления устойчивого развития мелиоративных систем» (№ регистрации 1 200 113 465, тема 9, раздел 9.3, подраздел 9.3.1).
Методы исследовании. Научные исследования основывались на теоретических и экспериментальных методах, а также на информационной базе исходных данных.
Теоретические методы: системный анализ, теория информации, теория принятия решений, теория распознавания образов, теория активных систем, теория рефлексивного управления, теория автоматизированных систем управления, математическая статистика, линейная алгебра.
Экспериментальные методы: численный эксперимент, измерения внутренней и внешней, дифференциальной и интегральной валидиостн предложенных моделей.
Информационную базу исследований составили: архивы ФГУ «Кубань-мелиоводхоз», филиала ФГУ «Петровско-Анастисиевская оросительная система», Кубанского гидро-мелиоратнвного государственного учреждения, ФГОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» (кафедры орошаемого земледелия).
Достоверность п обоснованность научных положений подтверждается большим объемом натурных испытаний и тем, что разработанная автором теория автоматизированного управления РОС имеет методологическую основу. Предложенная математическая модель и численный метод, реализованные в программном инструментарии, исследуются и верифицируются на адекватность. Применен апробированный математический аппарат. Постановка корректна, предложенные методы решения рассматриваемых задач обоснованы. Получены оправданные результаты, совпадающие с известными экспертам положениями.
Научная новизна.
1. Разработана математическая модель мелиоративного состояния рисовой оросительной системы, относящаяся к классу семантических ипформационных моделей. Для синтеза и исследования данной модели впервые применен системно-когнитивный анализ, который обеспечивает комплексность почвенных и гидрогеологических исследований при больших размерностях, зашумленности и фрагментарности исходных эмпирических данных.
2. Обоснован подход к управлению мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием семантической информационной модели, который учитывает внутренние регулирующие механизмы природной среды, возможности ее адаптации к антропогенным воздействиям, направленность почвообразовательных процессов.
3. Предложено рассматривать рисовую оросительную систему как мио-гофакторный слабодетермниироваппын активный объект управления с использованием подхода к автоматизации системного анализа, основанного не на его максимальной детализации, что традиционно, а на идее его рассмотрения как процесса позпапия.
4. Обоснована охрана земель в управлении мелиоративным состоянием РОС, включающая методики: 1) ранжирования факторов в порядке убывания силы их воздействия па объект управления- 2) поддержки принятия решений по выбору управляющих факторов па мелиоративное состояние РОС- 3) определения вероятности превышения контролируемых параметров над лимитирующими значениями для экологической безопасности почв.
5. Разработана модель АСУ мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы, позволяющая решать вопросы оптимального планирования режимов орошения в процессе эксплуатации системы, а также вопросы экономии поливной воды, повышения продуктивности и охраны рисовых почв от деградации.
6. Разработан алгоритм управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с включением спстемпо-когиитивпого анализа непосредственно в цикл управления, что позволяет учитывать различные варианты мпогофакториых управляющих воздействий.
Практическую значимость представляют:
— методология и технологии системно-когнитивного анализа для управления мелиоративным состоянием оросительной системы с целыо получения максимальных урожаев риса наивысшего качества и с целыо диагностики почв, чтобы на ранней стадии изменений предупреждать их загрязнение и деградацию;
— разработанные методики: 1) ранжирования факторов воздействия на мелиоративное состояние рисовой оросительной системы в порядке убывания силы их влияния па объект управления- 2) поддержки принятия решений, но выбору управляющих факторов па мелиоративное состояние РОС- 3) методика статистической оценки качественного состояния почв, позволяющей оцепить степень соответствия почв нормативным условиям на различных участках;
— модель рисовой оросительной системы, составленная па основе систем-но-когннтивного анализа, обеспечивает выдачу пользователю информации о состоянии объекта управления, а также об условиях его функционирования;
— система управления на основе информации о значениях параметров, характеризующих РОС (тип почв, содержание гумуса, N, Р, К, водно-физические характеристики почв, технологии выращивания риса и культур севооборотов и др.), а также па основе знания режимов функционирования осуществляет управление мелиоративным состоянием РОС. Информационные портреты классов и факторов определяют, па какой элемент объекта нужно подавать управляющие воздействия, то есть определяют последовательность подачи управляющих воздействий;
— системный подход позволяет планировать технологические операции и принимать управленческие решения в условиях неопределенности и миогорс-жимиости;
— системно-когнитивный анализ, использование которого обеспечивает создание автоматизированных систем мониторинга, прогнозирования и управления состоянием мпогофакторпых слабодетермнппрованпых активных объектов.
Основные положении, выносимые па защиту:
1. Теория комплексного управления мелиоративными режимами на рисовой оросительной системе для повышения плодородия почв и увеличения урожайности риса с учетом предотвращения н ликвидации засоления и заболачивания земель.
2. Математическая модель рисовой оросительной системы, относящаяся к классу семантических информационных моделей.
3. Подход к управлению мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием семантической информационной модели, учитывающий внутренние регулирующие механизмы природной среды, возможности ее адаптации к антропогенным воздействиям, направленность почвообразовательных процессов в течение многолетнего периода.
4. Модель АСУ мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы, позволяющая решать вопросы оптимального планирования режимов орошения в процессе эксплуатации системы, а также вопросы экономии поливной воды, повышения продуктивности и охраны земель.
5. Новый подход к автоматизации системного анализа управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы с использованием сис-темно-когиптпвного анализа рефлексивных АСУ активными объектами.
6. Статистическая оценка мелиоративио-гидрохимической ситуации на рисовой оросительной системе.
Выводы.
1. Создана математическая модель рисовой оросительной системы па базе системно-когнитивного анализа. Модель относится к классу семантических информационных моделей и устанавливает причинно-следственные взаимосвязи между факторами окружающей среды и управлениями различной природы, с одной стороны, и результирующими параметрами оросительной системы, с другой.
2. Проведена когнитивная структуризация предметной области, включающая построение классификационных и описательных шкал. В классификационных шкалах, характеризующих состояние РОС, собраны показатели мелиоративного кадастра орошаемых площадей: площади с разной глубиной залегания УГВ, с разной минерализацией грунтовых вод, указана урожайность риса (ц/га) по годам. В описательных шкалах собраны природные (температура и осадки, но месяцам в вегетационный период) и антропогенные (управляющие) факторы. Управляющая система характеризуется технологическими факторами: посевной площадью риса (га), подачей воды па полив риса, использованием повторных водХмли. м3) — всего 88 факторов.
3. Спроектирована обучающая выборка, количественно характеризующая динамику работы рисовой оросительной системы АО «Черноерков-ское» за 1983 — 2003 годы.
Осуществлен синтез семантической информационной модели, отражающей влияние факторов (антропогенных и природных) на состояние оросительной системы и урожай риса. На основе анализа модели оценено влияние каждого из факторов и пх комбинированное воздействие па основе внутрисистемных связей.
4. Проведена оптимизация семантической информационной моделивсе факторы ранжированы, но средней силе их влияния па переход РОС в те или иные состояния, исключены из модели факторы, несущественно влияющие па ее поведение (Парето-оптимизация).
5. Выявлены причинно-следственные зависимости между факторами воздействия и состоянием рисовой оросительной системы. Эти зависимости отражены в информационных портретах классов и факторов. Сведения, содержащиеся в информационных портретах, представлены также в графической форме в виде диаграмм и функций влияния.
6. Разработаны методики количественного прогноза изменения обстановки на рисовой оросительной системе при действии различных факторов с использованием информационных портретов классов и факторов. Полученные оценки являются строгими количественными выводами, сделанными путем исследования семантической информационной модели, созданной с использованием данных мониторинга за длительный промежуток времени (21 год).
7. Решена задача с позиции системного подхода о выборе управления, переводящего ОУ в заданное целевое состояние, разработана подсистема выработки управляющих воздействий. Продемонстрирована возможность эффективного применения методик, разработанных и апробированных в процессе адаптации и применения общей методологии системно-когнитивного анализа для исследования влияния большого количества разнородных факторов на состояние рисовой оросительной системы, а также урожаи риса.
8. Предложен подход, основанный на алгоритмах распознавания образов, для выявления набора наиболее значимых факторов, влияющих на мелиоративную систему с учетом её прошлого состояния. Определен характер связей между факторами и состояниями объекта управления непосредственно в процессе эксплуатации в форме семантической сети. Предлагаемая модель позволяет описать состояние РОС и воздействующие па неё факторы в формализованном виде, сделать количественное сопоставление факторов, построить численные критерии по кластерпо-коиструктивному анализу для выбора решении и все это — при оперативном доступе к обширному фактическому материалу.
9. Составлен алгоритм управления рисовой оросительной системы с включением системно — когнитивного анализа в никл управления. Включение системно — когнитивного анализа в никл управления даетвозможность использовать экспертные оцепкп н помогает неформализованным путем найти новые пути решения проблемы, не содержащиеся в формальной модели, то есть формализовать их, за счет чего непрерывно развивать модель и методы поддержки принятия решений. Использование системно — когнитивного анализа в составе АСУ рисовой оросительной системы обеспечиваетее эксплуатацию в режиме непрерывной модели (на детерминистских этапах), а также, когда это необходимо (то есть после прохождения точек бифуркации) — ее нового синтеза.
10. Обобщены теоретические и экспериментальные исследования по статистической оценке гидрохимической ситуации на рисовой оросительной системе. Разработана методика получения испараметрнческой статистической оценки степени соответствия почв нормативным условиям, позволяющая выявить ареалы с потенциальной опасностью деградации. Методика дает количественную оценку состояния почв по интенсивности засоления, заболачивания, уплотнения и другим показателям и может быть применена для получения природоохранной информации в моделях использования водно-земельных ресурсов.
11. На основе учета влияния инфляции цепы на рис сделан вывод о том, что чистый дополнительный доход, полученный по всей рисовой оросительной системе за счет внедрения АСУ РОС, составит 108,75 млн руб. в 2003 году, а дисконтированный дополнительный доход:
122,9 млн руб. в 2004 году;
137,6 млн руб. в 2005 году;
154,1 млн руб. в 2006 году;
172,6 млн руб. в 2007 году;
193,3 млн руб. в 2008 году;
216,5 млн руб. в 2009 году.
12. Основная часть чистого дохода (около 90%), получаемого за счет создания и эксплуатации АСУ РОС, обеспечивается за счет улучшения экологии, тогда как прямая прибыль, полученная за счет повышения урожайности риса, практически не дает чистого дохода и лишь покрывает затраты на создание и эксплуатацию АСУ.
13. Приведенные подходы к разработке методики оценки экономической эффективности применения СК-апализа в управлении рисовой оросительной системой позволили дать количественную оценку прямой (за счет повышения урожайности и качества риса) и косвенной (за счет предотвращения экологического ущерба) экономической эффективности АСУ РОС.
Получены следующие оценки:
— стоимость риса, дополнительно полученного по всей оросительной системе за счет внедрения АСУ (для земель с глубиной залегания УГВ < 1.5 (м)): 933 тыс. руб.;
— предотвращенный ущерб за счет улучшения экологии для земель с глубиной залегания УГВ < 1.5 (м): 108 777 тыс. руб.;
— полный годовой экономический эффект без учета затрат: 109 710 тыс. руб.;
— чистый дополнительный доход, полученный по всей оросительной системе за счет внедрения АСУ РОС: 108 752 тыс. руб.
— окупаемость АСУ РОС: 1 год (т.е. за один цикл управления).
Все это подтверждает экономическую п экологическую целесообразност ь проведения данной работы, создания и экспулатацпн автоматизированной системы управления мелиоративным состоянием рисовой оросительной системы АСУ РОС.
Рекомендации.
1. На основе обшей методологии системно — когнитивного анализа и предложенных в дайной работе методик его применения разработать и стандартизировать конкретные показатели, формы и информационные технологии, по которым должна собираться и накапливаться информация.
2. Провести анализ расширенных данных мониторинга с целыо выявления и уточнения причинно-следственных зависимостей в предметной области, то есть для генерации информации о силе и направлении влияния различных факторов на состояние оросительной системы.
3. Использовать полученную информацию для прогноза состояния оросительной системы I? условиях предположительного применения тех или иных технологических воздействии на оросительную систему.
4. Разработать программу поддержки принятия решений по управлению оросительной системой за счет использования знаний о влиянии технологических факторов па экологическое состояние системы, а также урожай.
5. Создать постоянно функционирующую математическую модель РОС, обеспечивающую оптимальную мелиоративную обстановку в речном бассейне.
