Методологические подходы и моделирование в мелиорации

1.2.1 Методологические подходы в мелиорации

Комплексное обустройство (мелиорация) водосборов решает проблему повышения качества жизни и обеспечения населения продовольствием при одновременном снижении нагрузки на биосферу. Но при этом комплексное обустройство (мелиорация) является сложной, дорогой (ресурсо - и энергоемкой), экологически опасной деятельностью. Поэтому альтернатива их применения заключается в том, чтобы комплексное обустройство территорий, в нашем случае водосборов, проводилось только после надлежащего научного обоснования необходимости мелиораций.

Для научного обоснования мелиораций необходимо привлечение всех накопленных человеком знаний о природных процессах. В настоящее время наука включена в систему производительных сил и обладает мощным научно-техническим потенциалом и весьма разнообразными методологиями и методами. В этой связи возникает необходимость выбора и описания наиболее эффективных методологических подходов в мелиорации из общего набора современных научных методов.

Изучение такой сложной природоохранной деятельности, как комплексное обустройство (мелиорации) водосборов, с целью системного синтеза данных, теоретических и практических знаний, предполагает использование целой совокупности методологических подходов к исследованиям: исторический, системный, географический, балансовый, статистический, биологический, термодинамический, экономический и экологический (Голованов, [222]).

Исторический подход заключается в анализе опыта мелиорации в предшествующие годы; оценке, применявшихся ранее методов и способов, с учетом конкретной общественно-экономической формации; выявлении достижений и ошибок во избежание их повторения. Так, долго существовавшей целью мелиорации сельскохозяйственных земель, являлось получение высокого и устойчивого урожая ограниченного набора сельскохозяйственных культур без учета изменения плодородия земель и их агроэкологической безопасности. Накопленный исторический опыт и результаты исследований показали ограниченность такого подхода и необходимость учета при мелиорации земель природных связей между всеми компонентами среды, изменения экологической обстановки. Исторический подход доказывает правильность смены парадигмы по отношению к природе: от неограниченной эксплуатации природы и ее безграничного преобразования следует переходить к экономии природных ресурсов и весьма осторожному изменению природной среды жизни (Реймерс, [227]). Применительно к мелиорации это утверждение можно сформулировать, как переход от проведения комплексных мелиораций отдельных сельскохозяйственных земель к комплексному научно обоснованному обустройству (мелиорации) больших однородных генетических территорий: ландшафтов, водосборов. Понятие комплексное обустройство шире комплексной мелиорации земель, хотя оно ни в коем случае его не отменяет. Комплексные мелиорации являются базисными в комплексном обустройстве территорий.

Системный подход, включающий геосистемный или ландшафтный подход и заключающийся в том, что преобразуемые природные объекты являются целостными, открытыми, развивающимися большими системами [196]. При рассмотрении больших территорий нельзя ограничиваться только административными границами земель без их генетической связи с прилегающими землями и водными объектами. Целостность и открытость геосистем отчетливо осознавали российские ученые В. В. Докучаев, А. Н. Костяков и А. Д. Брудастов. В настоящее время геосистемный (ландшафтный) подход получил широкое распространение при обосновании и проектировании мелиоративных мероприятий больших территорий (И. П. Айдаров, А. И. Голованов и др.).

В рамках геосистемного подхода продуктивным для рассмотрения вопросов функционирования водосборов является так называемый катенарный подход, когда вся территория водосбора рассматривается как целостная последовательность фаций (элементарных ландшафтов), т. е. катен (Г. Н. Высоцкий, Л. Г. Раменский, Б. Б. Полынов, М.А. Глазовская и др.). В основу этого подхода лежит идея сопряженности фаций в закономерном ряду местоположений, причем в качестве главного фактора, выступает водное питание и сток ( Б. Б. Полынов, [217]; М.А. Глазовская, [97]). Этот подход позволяет количественно учесть все типы водного питания при переувлажнении, отследить влияние орошения возвышенностей и осушения понижений на прилегающие земли, изучить гидрохимические потоки веществ со склонов в реки.

Географический подход позволяет рассматривать мелиорации больших территорий с учетом географической зональности тепло- и влагообеспеченности, почвообразовательных, гидрологических, гидрогеологических и биологических процессов. При этом надо иметь в виду, что мелиорации, вытекающие из особенностей той или иной зоны, применимы только для возвышенных фаций (орошение). Потребность в осушении имеет место главным образом для пониженных фаций, испытывающих дополнительный, по сравнению с зональным, приток вод с примыкающих возвышенностей. Потребность в мелиорациях больших территорий изучают по географическим или тематическим картам, используя ГИС (географические информационные системы) - технологии. ГИС объединяет информацию, содержащуюся на географических картах, с мелиоративными, экологическими и другими данными в зависимости от ее назначения. ГИС обладают возможностью связывать различные наборы данных для рассматриваемой территории и выполнять операции над различными слоями данных (объединять, накладывать, создавать новые), так как в качестве объединяющего принципа они используют пространственное (географическое) положение всех данных. Объединение различных данных дает новую информацию для анализа, следовательно, увеличивает ценность этих данных. Все большую актуальность приобретает создание информационных моделей по управлению режимами мелиораций с использованием ГИС-технологий (напр.: модели агроландшафтов [Кирейчева, 159]).

Карты - это образно-знаковая пространственная модель геосистемы, полученная по определенным законам. Для анализа карт (определение площадей, длин рек, морфометрических характеристик и т.п.) используется картографический метод. Картографический метод представляет собой научный метод исследования готовых карт для познания свойств, изображенных на них объектов и явлений. Этот метод располагает большим числом приемов анализа карт, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной морфометрической и статистической оценкой, выполняют прогнозные исследования [48, 49, 50, 123, 129, 130, 175, 181, 230, 238, 243, 245].

Балансовый подход в мелиорации отражает закон сохранения вещества и энергии. Он позволяет, исходя из равенства приходных и расходных статей, сравнительно просто вычислять мелиоративные воздействия: оросительную и поливную норму, необходимость в дренаже, ирригационную способность водоисточников. Простота таких расчетов кажущаяся, так как любое мелиоративное воздействие приводит к изменению всех существующих статей водного, теплового, солевого и пищевого балансов. Как доказал А. И. Голованов, «простейшие балансовые равенства применить можно, но их необходимо дополнить уравнениями движения вод, чтобы учесть взаимозависимость между статьями водного баланса…». При комплексном обустройстве водосборов по этому методу составляются уравнения баланса отдельных статей (напр.: статьи водного и термодинамического баланса).

Статистический подход учитывает принципиальную особенность природных тел − неоднородность свойств в пространстве и во времени [9, 23, 61, 82, 100, 140, 177, 183]. Различают детерминированную или генетическую неоднородность и случайную (стохастическую), вызванную совокупностью изменяющихся в пространстве менее значимых факторов. Поэтому природные процессы всегда идут в среде с переменными в пространстве свойствами, что крайне затрудняет их математическое описание, требуется многократное измерение варьирующих свойств для получения их статистических характеристик (среднего, дисперсии, законов распределения). На практике требуется установление так называемых расчетных величин заданной обеспеченности. Эти субъективные обстоятельства, усложняющие расчеты, объективно делают природные объекты более устойчивыми в разные годы. Вторым обстоятельством, делающим статистический подход необходимым – это изменчивость погодных условий и, вызванная ею, разная потребность в орошении или осушении в отдельные годы. Для полноты рекомендаций по мелиорации водосборов нужно обосновать их целесообразность за все годы наблюдений (в нашем случае более 30 лет) и затем выбирать расчетные нормы мелиораций заданной обеспеченности или надежности. Такие расчеты необходимы и для экономической оценки результатов мелиораций, так как денежные потоки (расходы и доходы) будут отличаться в разные по водности годы.

Биологический подход позволяет:

- учесть требования растений к регулируемым факторам роста и развития (влажность, засоленность и кислотность почвы, глубины уровня грунтовых вод, влажность и температура воздуха, продолжительность затопления и др.);

- количественно оценить влияние мелиораций на продуктивность биогеоценозов.

Требования к комплексному регулированию факторов роста и развития растений, опираясь на законы земледелия, сформулированы В. В. Шабановым [275, 276]. Биологический подход применим при наличии способов оценки продуктивности при разных факторах и условиях развития сельскохозяйственных растений (напр.: многокритериальный подход к оценке продуктивности агроландшафта [277]). Продуктивность растений, в том числе их надземной и подземной частей, влияет на пополнение биомассы в почве, из которой формируется гумус, предопределяющий плодородие почвы. При комплексном обустройстве водосборов этот подход позволяет разработать методы расчетов: прогноза запасов гумуса при разной степени тепло- и влагообеспеченности почвы; уменьшения запасов гумуса за счет биохимического разложения, смыва и вымыва из почвенных горизонтов.

Термодинамический подход базируется на изучении направлений протекания неравновесных процессов и закономерностей энергетических превращений в природных системах. Геосистемы (в нашем случае водосборы) представлены как термодинамические системы в виде совокупности физических тел, которые могут взаимодействовать энергетически между собой, с другими телами и обмениваться с ними веществом. Функционирование геосистем должно описываться единым природным процессом, а не дроблением на частные процессы. Частные процессы изучаются в отдельных науках. Знания эти - неполные, имеют так называемый феноменологический характер, т.е. отражают только опыт людей и не объясняют причины протекания процессов.

Теоретические предпосылки термодинамического подхода изложены в работах Р. Хааза, Э. Эссига, С. Кеплена и Ю.Б. Румера [222]. Термодинамические системы состоят из столь большого числа частиц, что их состояние можно характеризовать макроскопическими параметрами: плотностью, давлением, температурой, концентрацией разных веществ. Природным процессам свойственна некоторая необратимость вследствие рассеивания вещества и энергии в пространстве, а также вследствие неоднородности в пространстве свойств компонентов природы и их температуры. Согласно термодинамическим представлениям, физико-химические процессы в геосистемах стремятся привести систему к равновесному состоянию, и это сопровождается ростом энтропии системы (напр.: выравнивание температуры, влажности, засоленности почвы; выветривание, осыпи, эрозия, вызывающие выполаживание гор; размыв русла реки в верховье и заиление – в низовье, рост извилистости, вызывающие «старение» реки). Наоборот, приток энергии в открытую термодинамическую систему позволяет ей уменьшать свою энтропию; так почва, получая энергию от Солнца, тратит ее часть на почвообразование, на уменьшение энтропии, увеличение упорядоченности, организованности. Ввод в рассмотрение полного термодинамического потенциала системы позволяет учитывать воздействие на систему и внутренние взаимодействия между компонентами всех сил (напр.: для почвы и находящегося в ней почвенного раствора: гравитационных, капиллярных, сорбционных, осмотических, термодиффузионных, сил внешнего воздействия и электрического поля). В результате получаются полные уравнения движения под действием всех сил, которых упрощают исходя из смысла задачи. Например, при описании движения почвенных вод непременно надо учитывать помимо гравитационных сил, также внешние силы, капиллярные и сорбционные силы. Термодинамический метод может так же использоваться для оценки эффективности комплексных мелиораций.

Экономический подход направлен на получение заданного количества и качества продукции в результате мелиорации при минимально необходимых затратах ресурсов и труда с учетом затрат на поддержание благоприятной экологической обстановки на мелиорируемых и прилегающих землях. Этот подход позволяет устанавливать экономически обоснованную надежность мелиорации: оптимальную водоподачу и водоотведение в разные по водности годы, поддерживать запасы гумуса, обеспечивать требуемое гидрохимическое состояние рек.

Экологический подход дает оценку мелиоративных воздействий на природные элементы среды. При мелиорации земель, в связи с интенсивным применением поливов, удобрений и средств защиты растений, проявляются новые закономерности во взаимодействии компонентов среды, возникает необходимость разработки специальных мероприятий по охране окружающей среды. Помимо этого, экологический подход при комплексном обустройстве водосборов реализуется в разработке и применении ландшафтно-адаптированной природосохраняющей системы земледелия на сельскохозяйственных землях, создании и поддержании требуемой экологической инфраструктуры (экологического каркаса), в конечном итоге – создании культурных ландшафтов, на которых деятельность человека гармонизирована в его интересах и «интересах» природы.

1.2.2 Моделирование в мелиорации

Моделирование в мелиорации – это современный подход обоснования мелиорации, оценки ее эффективности, экологической безопасности, быстрого анализа вариантов проектных решений, долговременного прогнозирования природных процессов при меняющихся погодных условиях. В основе мелиоративных исследований лежат натурные эксперименты, позволяющие наиболее полно, без искажений и упрощений, изучать эти процессы. С этой целью мелиорация земель всегда обеспечивалась большим объемом научных, научно-производственных и производственных исследований. Имелась обширная сеть научных учреждений, экспедиций, опытных станций, строились опытно-производственные системы, пилотные производственные инженерно-мелиоративные системы.

Ценность таких исследований в том, что реальные объекты изучаются в реальных условиях. Вместе с тем, учитывая сложность организации и дороговизну таких исследований, малую скорость протекания процессов, маловариантность исследований и их слабую прогностичность, при изучении мелиораций крупных геосистем (водосборы и ландшафты), как и в других отраслях и науках, широко применяют моделирование [25, 70, 85, 105, 107, 109, 148, 177, 216, 250, 265]. Натурные эксперименты в этом случае проводят для верификации разработанных моделей.

Моделирование - мощный инструмент познания природы. Модель – физическое или знаковое упрощенное подобие или аналог реального объекта, явления или процесса. Модель подобна оригиналу. Она замещает объект изучения на определенное время. Модели, описывающие процессы в таких сложно организованных системах, как ландшафты и водосборы, должны отвечать следующим требованиям:

1. Фундаментальность. Максимально возможный учет фундаментальных свойств геосистем: целостности (взаимодействие потоков вещества и энергии, взаимовлияние компонентов природы); структурности (модель должна описывать процессы в подсистемах и интегрировать их в единый процесс); изменчивости погодных условий; неоднородности компонентов природы и изменчивости их свойств в пространстве и во времени; нелинейность природных процессов. Любое упрощение нужно вводить осмысленно и количественно обосновывать.

2. Долговременность. Модель должна позволять рассчитывать процессы за ряд лет. Достоверными являются только те результаты, которые получены с помощью временных рядов, в течение которых объект начинает вести себя квазистационарно, наметились тенденции процессов (тренды), полностью развертываются и затухают переходные процессы.

3. Функциональность. Учет функционирования природных и при необходимости техногенных компонентов геосистем, путем создания моделей отдельных процессов (напр.: распределение выпавших осадков по территории, формирование поверхностного стока воды и т.п.).

Модель может быть предметной или знаковой. При знаковом моделировании используют следующие модели: вербальные, матричные, графические, математические. Большое значение в решении задач комплексного обустройства (мелиорации) водосборов имеют математические модели.

Математическая модель – приближённое описание какого-либо класса явлений внешнего мира, выраженное с помощью математической символики. Математическое моделирование позволяет проникнуть в сущность изучаемых явлений. Это мощный современный метод познания внешнего мира, а также прогнозирования и управления, особенно после колоссального развития вычислительной техники. Процесс математического моделирования можно подразделить на 4 этапа.

Первый – формулирование законов, связывающих основные объекты модели, а также происходящие в них процессы. Это требует широкого знания фактов, относящихся к изучаемым явлениям, и глубокого проникновения в их взаимосвязи. Этап завершается записью в математических терминах сформулированных качеств, показателей процессов, представлений о связях между объектами модели. Чтобы описать явление, необходимо выявить самые существенные его свойства, закономерности, внутренние связи, роль отдельных характеристик явления. Выделив наиболее важные факторы, можно пренебречь менее существенными. Для исследования сложных процессов в объектах, изменяющихся с течением времени, применяются дескриптивные (описательные) математические модели в виде дифференциальных или интегральных уравнений (или систем уравнений). Уравнения составляются на основании физических, химических, биологических законов. Решения таких систем дифференциальных уравнений являются функциями времени и, следовательно, могут описывать изменения во времени процессов, происходящих внутри моделируемых объектов.

Второй – исследование сформулированных математических задач. В основном решается прямая задача, то есть получение показателей процесса для дальнейшего их сопоставления с результатами наблюдений изучаемых явлений. Иногда решаются так называемые обратные задачи, когда, зная показатели процесса, желают оценить свойства природных компонентов. На этом этапе важную роль приобретает математический аппарат, необходимый для анализа математических моделей, и вычислительная техника – как средство решения математических задач, не имеющих пока аналитического решения.

Третий – выяснение, согласуются ли результаты моделирования с характеристиками природных процессов в пределах точности наблюдений – проверка (верификация) модели. Если отклонения выходят за допустимые пределы, то модель надо совершенствовать.

Четвёртый– последующий анализ модели в связи с накоплением данных об изучаемых явлениях и модернизация модели. В процессе развития науки и техники эти данные всё более и более уточняются, и наступает момент, когда выводы, получаемые на основании существующей математической модели, не соответствуют нашим знаниям о явлении, возникает необходимость построения новой, более совершенной модели.

Математическое моделирование предоставляет возможность быстро просматривать много вариантов ситуаций, но не в состоянии учесть всего многообразия природных процессов. Поэтому модели должны быть оптимально сложными, чтобы принятые допущения не приводили к существенным ошибкам в принятии решений. Модели мелиоративных процессов обязательно должны учитывать внутреннюю неоднородность и нелинейность природных процессов, различия в тепло- и влагообеспеченности и как минимум быть двумерными по размерности. Двумерные модели, которые оперируют двумя координатами каждой точки в пространстве, позволяют описывать достаточно сложные процессы (например, моделирование гидрологической и гидрохимической связи элементов водосбора между собой и с руслом).

Трехмерные модели ближе всего подходят к достоверному описанию природных процессов, но пока они слабо распространены. Основные причины слабого их распространения – вычислительная сложность и нехватка исходных данных.

Единственно возможный путь нахождения баланса сложности моделей и точности, детальности описания процессов – сочетание различных видов моделей, иерархическое их сопряжение, интеграция детально описанных процессов на уровне представительного объема природного тела в единый процесс на уровне геосистемы.

В современных науках широко используются математические модели, опирающиеся на геосистемный (ландшафтный) подход (А. И. Голованов, Ю. Г. Пузаченко, В. В. Сысуев и др.). В его рамках важно описать структуру ландшафта, которая определяет виды, направленность и интенсивность природных процессов. Один из наиболее общих подходов к описанию структуры – представление о ландшафте как объекте, который формируется и развивается под действием совокупности геофизических полей – поля силы тяжести, инсоляции (освещенности), поля температур воздуха, почвы, поверхностных вод, давлений воды в разных природных телах, поля влажности почвы и пр. При этом кроме привычных для специалистов моделей земного гидрологического цикла (в системе «атмосфера-вода-почва-растение») возникает необходимость моделирования морфометрических характеристик поверхности [105, 250, 251]. К их числу относят высоту местности, показатели кривизны земной поверхности, кривизну горизонталей и линий тока, а также некоторые другие, связанные с гидрологическими характеристиками территории. Они определяют геохимические процессы в геосистеме (в нашем случае в водосборе), продуктивность растений на различных формах рельефа, распределение выпавших осадков по территории, формирование поверхностного стока воды, эрозию и дефляцию (выветривание) почвы. Такой подход позволяет связать модели отдельных процессов в единый комплекс, позволяющий описывать взаимосвязанные процессы в водосборах.

Итак, современная наука владеет разнообразными методологическими подходами для научного обоснования мелиораций. Учитывая многоаспектность деятельности по комплексному обустройству водосборов, предполагается использование всей совокупности методологических подходов, изложенных в главе 1.2.1. Среди них приоритетное значение имеют геосистемный подход, получивший достаточно широкое распространение в комплексных исследованиях, и катенарный, ставший общепризнанным в практике ландшафтно-геохимических исследований.