Дослідження динаміки та прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь в системі еколого-меліоративного моніторингу - Автореферат

Робота спрямована на виконання: рекомендацій парламентських слухань “Підтоплення земель в Україні: проблема та шляхи подолання”, де поставлено завдання “...вдосконалити систему моніторингу підтоплених територій на державному, регіональному, місцевому та обєктовому рівнях” і “...забезпечити проведення оцінки довгострокової динаміки процесів підтоплення земель по регіонах та здійснити їх прогноз до 2010 року...”; Державної програми запобігання і боротьби з підтопленням земель, яка наголошує на необхідність “організації систематичного вивчення, проведення моніторингу та прогнозування підтоплення...”; Загальнодержавної Програми розвитку водного господарства, метою якої “...є впровадження державної політики, спрямованої на запобігання антропогенного впливу на довкілля, ...запобігання шкідливій дії води і ліквідації її наслідків”. Мета досліджень полягає в розробці наукових методів аналізу довгострокової динаміки рівнів ґрунтових вод та прогнозування підтоплення сільськогосподарських угідь за даними еколого-меліоративного моніторингу, створенні наукових основ та практичної реалізації системи аналізу та прогнозування. Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці методів, моделей, алгоритмів та програм, проведенні розрахунків оцінки багаторічної динаміки та ситуаційного прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь, що ввійшли складовою частиною до “Системи аналізу довгострокової динаміки та прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь (стосовно умов півдня України)”, яку впроваджено в системі Держводгоспу України. У першому розділі “Необхідність розробки методів і моделей аналізу динаміки рівнів ґрунтових вод за даними еколого-меліоративного моніторингу” на основі аналізу впливу основних факторів природного та антропогенного характеру на динаміку рівнів ґрунтових вод, визначено необхідність вирішення поставлених наукових задач по запобіганню підтопленню в системі еколого-меліоративного моніторингу. На основі аналізу фактичного стану проблеми визначено необхідність вирішення таких задач: створення наукового методу аналізу довгострокової динаміки процесів підтоплення сільськогосподарських угідь на основі використання сучасних методів синергетики, зокрема математичних методів системного статистичного моделювання; розробка та обґрунтування методу ситуаційного прогнозування підтоплення земель по окремих об‘єктах та по регіону з урахуванням прогнозної динаміки опадів та водоподачі; створення бази даних та знань для вирішення задач аналізу довгострокової динаміки та прогнозування процесу підтоплення (на прикладі Чаплинського району Херсонської області); розробка наукових основ для практичної побудови інформаційних систем аналізу і прогнозування для вирішення відповідних технологічних задач запобігання підтопленню.В відповідності з наявними нормативно-правовими та законодавчими актами розроблені основні напрямки досліджень та структурно-функціональна схема системи прийняття рішень, які визначають необхідність створення бази даних і знань, методів аналізу довгострокової динаміки і прогнозування стану сільськогосподарських земель, відпрацювання заходів для боротьби з їх підтопленням. Встановлено, що методологічною основою прийняття оптимальних рішень в складних системах моделювання підтоплення сільськогосподарських угідь доцільно використати синергетику, науку про системи, що розвиваються і самоорганізуються. Показано, що для аналізу розвитку та прогнозування цих синергетичних процесів на півдні України доцільно використовувати адекватні методи математичного моделювання, які базуються на системному статистичному аналізі коливань рівнів ґрунтових вод. На підставі систематизації даних еколого-меліоративного моніторингу Каховської гідрогеолого-меліоративної експедиції створено базу даних і знань, розроблено метод аналізу довгострокової динаміки процесів підтоплення сільськогосподарських угідь за гістограмами часток площ з різним рівнем ґрунтових вод та гістограмами зон ризику підтоплення. Запропонований метод побудови гістограм розподілу часток площ з заданими інтервалами глибин залягання рівнів ґрунтових вод дозволяє проводити багаторічний аналіз динаміки процесів підтоплення на основі порівняння часток площ з рівнем ґрунтових вод у заданому інтервалі при зрошенні і без зрошення, а також порівняння в часі накопичених часток площ до даного рівня ґрунтових вод на основі емпіричних функцій розподілу.

У дисертації наведене нове вирішення задачі аналізу багаторічної динаміки рівнів ґрунтових вод і прогнозування підтоплення сільськогосподарських земель в системі еколого-меліоративного моніторингу на основі застосування статистичного методу побудови гістограм та моделі дискретних нестаціонарних ланцюгів Маркова.

1. В відповідності з наявними нормативно-правовими та законодавчими актами розроблені основні напрямки досліджень та структурно-функціональна схема системи прийняття рішень, які визначають необхідність створення бази даних і знань, методів аналізу довгострокової динаміки і прогнозування стану сільськогосподарських земель, відпрацювання заходів для боротьби з їх підтопленням.

2. Встановлено, що методологічною основою прийняття оптимальних рішень в складних системах моделювання підтоплення сільськогосподарських угідь доцільно використати синергетику, науку про системи, що розвиваються і самоорганізуються. Показано, що для аналізу розвитку та прогнозування цих синергетичних процесів на півдні України доцільно використовувати адекватні методи математичного моделювання, які базуються на системному статистичному аналізі коливань рівнів ґрунтових вод.

3. На підставі систематизації даних еколого-меліоративного моніторингу Каховської гідрогеолого-меліоративної експедиції створено базу даних і знань, розроблено метод аналізу довгострокової динаміки процесів підтоплення сільськогосподарських угідь за гістограмами часток площ з різним рівнем ґрунтових вод та гістограмами зон ризику підтоплення.

4. Запропонований метод побудови гістограм розподілу часток площ з заданими інтервалами глибин залягання рівнів ґрунтових вод дозволяє проводити багаторічний аналіз динаміки процесів підтоплення на основі порівняння часток площ з рівнем ґрунтових вод у заданому інтервалі при зрошенні і без зрошення, а також порівняння в часі накопичених часток площ до даного рівня ґрунтових вод на основі емпіричних функцій розподілу.

5. Як інструментарій ситуаційного прогнозування теоретично обґрунтована системна макромодель, яка базується на дискретному ланцюгу Маркова. За даними еколого-меліоративного моніторингу модель дозволяє, на підставі заданих опадів і поливів, ситуаційно прогнозувати підтоплення сільськогосподарських земель.

6. Ідентифікація ланцюгів Маркова для конкретних обєктів і в залежності від прогнозованої зовнішньої ситуації (суми опадів і поливів), описує імовірності переходів та задає імовірності початкових станів на основі аналізу площ з різним рівнем ґрунтових вод. Це дозволяє здійснити ситуаційне прогнозування процесів підтоплення за одним із дискретних ланцюгів Маркова, побудувати відповідні прогнозні гістограми з оцінкою площ підтоплених земель.

7. Для оцінки точності ситуаційного прогнозування запропоновано критерій, що базується на використанні міри близькості - порівняльній оцінці у прогнозований момент часу суми відхилень ймовірностей фактичних (відмінних від нуля) станів ланцюга Маркова і прогнозних ймовірностей цих же станів, виражених в частках одиниці або у відсотках. Проведене прогнозування на прикладі кількох обєктів Чаплинського району Херсонської області показало задовільну для практичних цілей (відповідно 21,6% і 35,3%) точність прогнозу, що обґрунтовує метод і підтверджує можливість його використання для ситуаційного прогнозування в складі системи еколого-меліоративного моніторингу.

8. Проведена системна оцінка і класифікація обєктів за типами динамічних властивостей та виконані прогнозні розрахунки дозволяють визначити першочергові і перспективні заходи розвитку зрошення на кожному з обєктів, проведення необхідних меліоративних робіт (закладення або ремонт, реконструкція, модернізація існуючих дренажних систем, здійснення рекомендацій щодо вибору видів та режимів зрошення при експлуатації та реконструкції зрошуваних систем, тощо).

Рекомендації виробництву

У системі еколого-меліоративного моніторингу для довгострокового аналізу та прогнозування підтоплення сільськогосподарських угідь використовувати “Систему аналізу довгострокової динаміки та прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь (стосовно умов півдня України)”, у яку ввійшли складовою частиною матеріали дисертаційної роботи.

Брошури

1. О.І.Жовтоног, П.І.Ковальчук, В.А.Писаренко, Л.А.Філіпенко, Т.О.Михальська, Т.Ф.Семенкова, В.В.Поліщук, А.Ф.Салюк, М.М.Волошин, А.І.Задорожний, Н.В.Пендак Методичні рекомендації з оперативного планування режимів зрошення - К., 2004. - 49 с.

Статті у фахових виданнях

1. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Волошин М.М., Задорожний А.І. Ефективність ведення сільськогосподарського виробництва при зрошенні в умовах платного водокористування // Меліорація і водне господарство. - 2002.- Вип. 88, с.46-52.

2. Задорожний А.І., Буркун Т.Д. Вдосконалення еколого-меліоративного моніторингу на основі методів системного статистичного моделювання / Збірник наукових праць ІЗПР „Актуальні проблеми ефективного використання земель” №3 - Херсон, 2002, с. 99-101.

3. Ковальчук П.І., Задорожний А.І. Аналіз динаміки підтоплення сільськогосподарських угідь на основі системного статистичного моделювання // Меліорація і водне господарство.-2003.-№89. - С. 45-54.

4. Ковальчук П.І., Задорожний А.І., Шевчук С.А. Система аналізу та прогнозування екологічного стану земель при зрошенні // Таврійський науковий вісник. Випуск 31 (спеціальний). ТОВ “Айлант”, Херсон - 2004, с. 197-203.

5. Ковальчук П., Михальська Т., Задорожний А. Система прийняття рішень для раціонального водокористування та запобігання підтопленню земель при зрошенні // Водне господарство України №5-6, 2002, с.9-13.

6. Ковальчук П.І., Задорожний А.І., Шевчук С. А., Буркун Т.Д. Моделі екологічного ризику для аналізу довгострокової динаміки та прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь // Випуск 2(26). Видавництво УДУВГП, Рівне - 2004, с. 24 - 30.

7. Ковальчук П.І., Задорожний А.І., Шевчук С.А. Прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь // Вісник аграрної науки (Спеціальний випуск, квітень). - 2005, с. 25-28.

Наукові видання та тези доповідей

1. Ковальчук П.І., Задорожний А.І., Буркун Т.Д. Аналіз динаміки підтоплення сільськогосподарських угідь в умовах Херсонської області на основі системного статистичного моделювання // Науковий вісник БГМФ-1: Збірник статей. - Херсон: Айлант, 2003, с. 83-84.

2. Ковальчук П.І., Задорожний А.І., Ковальчук В.П. Марківська математична модель прогнозування та недопущення підтоплення земель на півдні України. // Матеріали міжнар. науково-практичної конференції ”Ризикологія в економіці та підприємництві”. Березень 2001, с.178-179.

3. Задорожний А.І. Аналіз динаміки підтоплення сільськогосподарських угідь в умовах Херсонської області на основі системного статистичного моделювання. // Таврійський науковий вісник - Херсон: 2003 Вип. 27, с. 219-223.