УДК 631.6:519.87

DOI 10.24411/2658-3569-2020-10044

ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ЭКОЛОГО-АДАПТИВНЫХ МЕРОПРИЯТИЙ НА РИСОВЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

SUBSTANTIATION OF THE CHOICE OF ECOLOGICAL AND ADAPTIVE ACTIVITIES ON RICE IRRIGATION SYSTEMS

Сафронова Т.И., д.т.н., доцент, профессор кафедры высшей математики, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»

Приходько И.А., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»

Владимиров С.А., к.с-х.н., доцент, зав. кафедрой, ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина»

Safronova T.I., Prikhodko I.A., Vladimirov S.A.

Аннотация. При эксплуатации рисовых оросительных систем кардинально нарушаются условия генезиса и почвообразования ландшафтов. Это приводит к вымыванию активного гумуса и кальция, коллоидных частиц, питательных веществ из пахотного слоя в нижележащие горизонты, в результате чего проявляется тенденция к вторичному засолению и осолонцеванию почв. Развитие элювиально-глеевого процесса и изменение физико-химических показателей почв вызывает изменение морфологического почвенного профиля. Вероятность возникновения негативных последствий связана со спецификой рисовой оросительной системы. Эта вероятность зависит от следующих факторов: затопление рисовых чеков, осушение, внесение удобрений, подъем уровня грунтовых вод, заиление каналов, износ инженерного оборудования. В настоящее время актуальными являются проблемы предотвращения деградации земель, поддержание и восстановление почвенного плодородия. В статье авторы предлагают характеризовать режим функционирования рисовой оросительной системы с вероятностной точки зрения. Предлагают оценивать последствия антропогенной нагрузки, рассматривая эксплуатационные мероприятия пуассоновским потоком определенной интенсивности. Такой подход позволяет рассмотреть неопределенность в терминах вероятностных распределений. Введена в рассмотрение функция S(t), характеризующая стоимость мелиоративного мероприятия. Функция S(t) предполагается монотонно убывающей. Рассматривается вероятность R(S) достижения определенного качества почвы. При минимальной стоимости мероприятий S_m почва деградирует. В этих предположениях получено выражение среднего значения и плотности вероятностей длительности наступления определенного состояния почвы. Предлагаемый в работе способ оценки мелиоративного состояния почв может служить основой для разработки компьютерных программ по сохранению и улучшению экологической безопасности на рисовой оросительной системе.

Summary. When using rice irrigation systems, the conditions of Genesis and soil formation of landscapes are radically violated. This leads to the leaching of active humus and calcium, colloidal particles, and nutrients from the arable layer to the underlying horizons, resulting in a tendency to secondary salinization and salinization of the soil. The development of the eluvial-gley process and changes in the physical and chemical parameters of soils causes a change in the morphological soil profile. The probability of negative consequences is related to the specifics of the rice irrigation system. This probability depends on the following factors: flooding of rice paddies, drainage, fertilization, rising ground water levels, silting of channels, wear of engineering equipment. Currently, the problems of preventing land degradation, maintaining and restoring soil fertility are urgent. In the article, the authors propose to characterize the mode of functioning of the rice irrigation system from a probabilistic point of view. It is proposed to assess the consequences of anthropogenic load by considering operational measures with a Poisson flow of a certain intensity. This approach allows us to consider uncertainty in terms of probability distributions. The function , which characterizes the cost of reclamation measures, is introduced. The function  is assumed to be monotonically decreasing. The probability  of achieving a certain soil quality is considered. At the minimum cost of  activities, the soil degrades. In these assumptions, an expression of the average value and probability density of the duration of the onset of a certain soil condition is obtained. The proposed method of assessing the reclamation state of soils can serve as a basis for the development of computer programs to preserve and improve environmental safety in the rice irrigation system.

Ключевые слова: рисовая система, деградация почв, мелиоративные мероприятия, вероятностное оценивание.

Keywords: rice system, soil degradation, reclamation measures, probabilistic assessment.

Введение. Возделывание риса в дельте Кубани в значительных масштабах началось в 30-е годы [1]. Научное обоснование рисоводства на Кубани было выполнено профессором П.А. Витте. Он предложил использовать рисоводство на Кубани для мелиорации плавневых и засоленных земель. В начальный период возделывания риса водоподача и водоотвод были примитивны. И все же зарегулирование стока Кубани прекратило паводки, а эксплуатация рисовых оросительных систем коренным образом изменили гидрорежим региона. Естественный гидрорежим заменен на искусственный, регулируемый обширной сетью каналов и дрен, а также различными гидроузлами, насосными станциями [2].

Цель исследования. Сток р. Кубань зарегулирован четырнадцатью водохранилищами суммарным объемом 5,62 куб. км. Безвозвратно изымается из стока реки Кубань 90 % от нормы годового стока. Осуществление столь крупных водохозяйственных мероприятий в бассейне р. Кубань непосредственно отражается на гидрологическом режиме системы дельтовых лиманов и основных устьевых рукавов.

В результате эксплуатации рисовых систем сформировались особого вида почвы [3]. Эти почвы назвали «рисовыми». Глубина залегания грунтовых вод весной должна обеспечить нормальные условия для сева. В вегетационный период кроме глубины залегания необходимо учитывать минерализацию и химический состав грунтовых вод, в комплексе влияющие на водно-солевой режим почв, который зависит от водоподачи на орошение и соотношения её с суммарным расходом влаги на испарение и транспирацию из зоны аэрации [4].

Для проектируемых рисовых оросительных систем необходимо определять оптимальные (с учетом экономического фактора) глубины залегания грунтовых вод. Они должны быть основаны на прогнозах водно-солевого режима почв, осуществляемых с учетом минерализации оросительных и грунтовых вод и последующем выборе оптимального режима с точки зрения достижения устойчивого благоприятного водно-солевого режима почв при минимальных затратах оросительной воды и материально-технических средств на строительство и эксплуатацию [5].

Допустимые глубины устанавливаются на основе изучения зависимости водно-солевого режима почв от глубины залегания грунтовых вод разной минерализации и химического состава с учетом опыта получения проектных урожаев. Эти глубины различны для разных почвенно-климатических условий, разного гранулометрического состава почв и пород зоны аэрации, качества оросительной воды [6].

Материал и методы исследования. В 30-е годы для опреснения засоляющихся лиманов стали использовать кубанскую воду и посевы риса как культуры – мелиоранта [7]. При обеспеченном оттоке грунтовых вод в результате возделывания риса постепенно опресняются верхние горизонты почвогрунтов. На тяжелых, слабопроницаемых грунтах происходит опреснение лишь верхних горизонтов почвы. Для риса, имеющего мелкую корневую систему, этого в большинстве случаев достаточно [8]. Но возделывание других культур, входящих в севообороты на тяжелых почвах с   плохим оттоком грунтовых вод, требует дополнительных мер, обеспечивающих не нарушение экологической ситуации .

Можно отметить, что на больших территориях уничтожается естественный почвенный покров, нарушаются естественные пути перемещения поверхностных и грунтовых вод. Наиболее глубокие изменения происходят в почвах: наблюдается почти полная смена природных процессов почвообразования. Проблема изучения антропогенных изменений свойств почв, их оперативной диагностики актуальна как в экологическом, так и в сельскохозяйственном аспекте [9].

Так как процессы, создающие условия окружающей среды, являются стохастическими, представляется целесообразным разработать вероятностный подход к решению этих проблем. Для формирования вариантов технологий выращивания сельскохозяйственных культур будем рассматривать мелиоративные мероприятия пуассоновским потоком определенной интенсивности [4].

Результаты исследования. В работе рассматривается вероятностная модель процесса снижения стоимости мелиоративных мероприятий при ступенчатом изменении цены.

Пусть в момент начала работ намечены мелиоративные мероприятия на длительность функционирования T₁, цена которых S₁. На следующий отрезок времени T₂ намечаются новые мелиоративные мероприятия, цена которых  и так далее.

Каждый отрезок времени будем называть фазой. Длительность фазы зависит от числа намечаемых мероприятий [3].       

Будем рассматривать последовательность мелиоративных мероприятий пуассоновским потоком интенсивности

На п-й фазе удовлетворительное мелиоративное состояние будет достигнуто с вероятностью  

Следует отметить, R(S) – монотонно убывающая функция, зависящая от цены намечаемого мелиоративного мероприятия.

Найдем среднее время до наступления удовлетворительного состояния системы.

Плотность вероятностей интервалов времени

Условная плотность вероятностей интервала времени от начала фазы равна

Далее подготовим выражение для математического ожидания

После вычисления интеграла в числителе получим

В (4) использована функция

График функции (5) приведен на рисунке 1. Заметим, что

Так как удовлетворительное состояние наступает на периоде T_n с вероятностью  

Выполнив преобразования, запишем

Рассмотрим первое слагаемое [4]. Переставив в первом слагаемом суммы, получим

Но

так как

И теперь можем записать

где

Откуда следует выражение для функции

с помощью которой можно вычислить среднее время до наступления удовлетворительного состояния системы [5,6].

Итак, среднее время до наступления удовлетворительного состояния системы.

Заключение. В статье предлагается вероятностная модель оценки роли основных факторов деградации почв рисовых полей Кубани, которая позволяет снизить риски неопределенностей при принятии управленческих решений. Предложено рассматривать неопределенность в терминах вероятностных распределений. Оцениваемые параметры трактуются случайными величинами. Эксплуатационные мероприятия рассматриваются пуассоновским потоком определенной интенсивности. Разработанная модель может быть использована для принятия наиболее оптимального управленческого решения.

Список использованной литературы

1. Сафронова Т.И. Анализ оценки земельных ресурсов в сельском хозяйстве [Текст] / Т.И. Сафронова, И.А. Приходько, Л.Н. Кондратенко // Фундаментальные исследования, 2019. – № 5. – С.110 – 114
2. Сафронова Т.И. Мониторинг почвенно-мелиоративного состояния земель дельты реки Кубань [Текст] / Т.И. Сафронова, И.А. Приходько // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного университета. 2006. №17. С.12 – 21
3. Сафронова Т.И. Информационная модель управления качеством состояния рисовой оросительной системы [Текст] / Т.И. Сафронова, И.А. Приходько // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2007. № 6. С. 11-15.
4. Сафронова Т.И. Исследование семантической информационной модели управления качеством грунтовых вод на рисовых оросительных системах [Текст] / Т.И. Сафронова, Е.В. Луценко // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного университета. 2004. № 7. С. 5 – 28
5. Сафронова, Т.И. Теоретическая модель оптимального проектирования агроландшафтов / Т.И. Сафронова, И.А. Приходько // Успехи современного естествознания. 2019. № 3-2. С. 204-209.
6. Чеботарев, М.И. К вопросу выбора оптимального рисового севооборота для повышения урожайности риса / М.И. Чеботарев, И.А. Приходько // В сборнике: Научное обеспечение агропромышленного комплекса 2012. С. 431-432.
7. Кузнецов, Е.В. Оценка эффективности севооборотов на существующих и восстановленных рисовых полях для разработки сбалансированной рисовой оросительной системы / Е.В. Кузнецов, М.И. Чеботарев, И.А. Приходько // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2011. № 28. С. 149-152.
8. Kumar, S. Developing soil matric potential based irrigation strategies of direct seeded rice for improving yield and water productivity / S. Kumar, B. Narjary, K. H.S. Kumar, Jat, S.K. Kamra, R.K. Yadav // Agricultural Water Management. 2019. Volume 215, Pages 8-15.
9. Bhuiyan, K.A. Grain yield, growth response, and water use efficiency of direct wet-seeded rice as affected by nitrogen rates under alternate wetting and drying irrigation system / K.A. Bhuiyan, S.U. Bhuiya, M.A. Saleque, A. Khatun //  Communications in Soil Science and Plant Analysis. 2018. Volume 49, Issue 20, Pages 2527-2545.