1

На правах рукописи

НИЙОНЗИМА НЕСТОР

БИОКЛИМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ОРОШЕНИЯ И

ОСУШЕНИЯ ЗЕМЕЛЬ БАССЕЙНА РЕКИ РУСИЗИ (РЕСПУБЛИКА БУРУНДИ).

Специальность 06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва – 2013 2

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

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Шабанов Виталий Владимирович ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустроиства», кафедра мелиорации и рекультивации земель

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Добрачев Юрий Павлович Заведующий отделом ГНУ «ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова»

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

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

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

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

Автореферат диссертации размещен на официальных сайтах ВАК РФ, ФГБОУ ВПО МГУП и разослан 20 ноября 2013 г Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук Сурикова Т.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

Исследования включали следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

Научая новизна:

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

• Впервые обоснован режим орошения в республике Бурунди при круглогодичном земледелии, • Усовершенствована модель «Полив» применительно к условиям круглогодичной вегетации четырех ведущих культур орошаемого земледелия в Бурунди.

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

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

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

Защищаемые положения:

На защиту выносятся:

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

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

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

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

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

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

7. Биоклиматическое обоснование необходимости проведения мелиорации в различные периоды года при выращивании сельскохозяйственных культур (на примере картофеля).

Практическая ценность и значимость работы.

Результаты исследований позволили:

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

2. Обосновать необходимость орошения в республике Бурунди.

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

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

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

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

Достоверность результатов заключается в следующем:

• Использование длительных рядов метеорологических данных.

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

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

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

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

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

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

(Москва 2012).

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

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 90 наименований, в том числе 30 работ на иностранном языке, и 9 приложений. Содержание работы изложено на 130 страницах машинописного текста, иллюстрировано 56 рисунками, 44 таблицами.

Благодарность: Автор выражает глубокую признательность правительствам республики Бурунди и России за предоставленную возможность учиться в России с 2004. Я благодарен своему научному руководителю профессору В.В.

Шабанову и моему консультанту профессору Голованову А.И. за постоянную помощь и советы во время исследования и учебы в РФ.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Примечание к табл.1 Столбец №3- средние декадные температуры воздуха в многолетнем разрезе за I-е декады января месяца с 1990 - 2010г. Столбец 4 – накопленные суммы средних декадных температур; столбец №5- скользящее среднее температуры воздуха (содержание соответствующие ячейки столбца 4 разделено на содержание соответствующей ячейки столбца 1). Столбец №6 - средние многолетние температуры воздуха (последняя ячейка столбца 5 принято как математическое ожидание, в данном случае это - 24,6). Столбец 7 - t ср.мног. прибавляем t = 0,2 C и столбец 8 t ср.мног. отнимаем t =0,2. t =0,2 – заданная точность измерения температуры воздуха т.е. в диапазоне ±0,2 0С происходит стабилизация.

В качестве примера показан график скользящих средних температур за первую декаду января (рис. 1).

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

Анализ метеорологических данных, показал, что достаточная продолжительность наблюдений для температур воздуха, атмосферных осадков и относительной влажности не превышает 20 лет.

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

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

где ti- температура воздуха в iом момент времени, tcp- средняя температура воздуха, n- число наблюдений.

В ряде случаев можно использовать коэффициент вариации, который рассчитывается как:

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

Статистическая величина асимметрии характеризуется коэффициентом асимметрии Cs Коэффициент эксцесса N вычисляется по формуле:

Результаты расчетов приведены в диссертации и показаны ниже. Изменение Рис.3. Изменение средних многолетних величин температуры воздуха по декадам года.

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

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

Рис.3. Изменение средних многолетних величин атмосферных осадков по месяцам Ра = Рср+: среднее декадное выпадение атмосферных осадков плюс среднее квадратическое отклонения; Рб = Рср-: среднее декадное выпадение атмосферных осадков минус среднее квадратическое отклонения.

Средняя годовая сумма атмосферных осадков примерно равна 700 мм. Во влажный сезон выпадает 661 мм, а в сухой 29,62 мм. Величина среднего квадратического отклонения атмосферных осадков по декадам составляет 14,78 мм.

Она изменяется от 0,02мм (первая декада июля месяца – сухой сезон) до 44,28мм (третья декада декабря месяца – влажный сезон). Коэффициент вариации изменяется от 49,91 (первая декада декабря месяца – влажный сезон) до 447,21% (июль – сухой сезон). Сухой сезон характеризуется малыми величинам среднего квадратического отклонения. Но в это время уменьшаются осадки (почти 0 мм) что и увеличивает варьирование. Коэффициенты асимметрии и эксцесса далеки от нулевых значений. Поэтому закон распределения атмосферных осадков нельзя считать приближающимся к нормальному закону. Тенденция к направленным изменениям атмосферных осадков (тренду) не наблюдается Анализ изменения относительной влажности воздуха показан на рисунке 4.

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

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

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

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

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

Матрица переходных вероятностей температур воздуха почти диагональная, т.е. вероятность сохранения температуры из декады в декаду, достаточно высока (около 0.5). Однако при высоких температурах в предыдущую декаду, вероятность сохранения таких температур уменьшается. В этом случае возрастает вероятность понижения температур примерно на 10С. Во влажный сезон эта тенденция усиливается.

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

Матрицы переходных вероятностей осадков по своей структуре существенно отличаются от матриц для температур и относительных влажностей воздуха. Закономерности процесса выпадения осадков таковы, что практически при любых значениях осадков в предыдущую декаду, осадки в последующую будут ниже и с большой вероятностью попадут в диапазон 0-20 мм. Во влажный сезон эта тенденция несколько нарушается.

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

В третьей главе рассмотрены расчеты влагозапасов в почве, нормы и число поливов сельскохозяйственных культур в различные сезоны года. Они проводились на основе усовершенствованной вычислительной системы, разработанной проф. Головановым А.И. при нашем участии. Блок-схема взаимодействия моделей представлена на рисунке 5.

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

Система подготовки исходных данных показана в табл. 3.

i – индекс момента времени (номер декады), j – индекс сельскохозяйственной культуры (картофель, пшеница), n – показатель степени в зависимости «влагопроводность – влажность»

(косвенная характеристика проницаемости грунтов). Si – относительная продуктивность в iю декаду; wi – влагозапасы в почве в i-ю декаду; – время; Wiopt – оптимальные влагозапасы в i-ю декаду; ji – коэффициент саморегулирования растения; Umax – максимальный урожай;

S – относительная продуктивность за вегетацию; U – урожай; W() – изменение влагозапасов во времени; Ri атмосферные осадки в i-й момент времени; ti - температура; – относительная влажность воздуха; kw – коэффициент влагопроводности.

Кроме этого, для расчета водного режима почвы необходимы еще следующие параметры: пористость, максимальная молекулярная влагоемкость (ММВ), максимальная гигроскопичность (МГ), влажность завядания (ВЗ), высота капиллярного поднятия (Нк), коэффициент фильтрации - Кф (с учетом трещиноватости), предполивная влажность, от которой зависит число поливов В результате получаются Wi - влагозапасы в i-ю декаду вегетации, g – инфильтрация; Poptij – вероятность оптимальных условий для j - ой культуры в i – ю декаду; Pорошij – вероятность необходимости орошения для j - ой культуры в i – ю декаду; Pосушенij – вероятность необходимости осушения для j - ой культуры в i – ю декаду;

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

- напор, эквивалентный каркасно-капиллярному давлению в зоне неполного