Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

Пендак Наталія Володимирівна

УДК 631.67:63.001.18

Удосконалення водокористування

з урахуванням ризиків

при зрошенні овочевих культур

(на прикладі Херсонської області)

06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук (УААН).

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

КОВАЛЬЧУК Павло Іванович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

головний науковий співробітник відділу водозабезпечення зрошення

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

КІР’ЯНОВ Віктор Миколайович,

Національний університет водного господарства та природокористування,

завідувач кафедрою водогосподарського будівництва;

кандидат технічних наук

Ляшевський Валерій Іванович,

директор Кримського філіалу Інституту гідротехніки і меліорації.

Провідна установа: | Одеська Державна академія будівництва і архітектури,

м. Одеса, вул. Дидрихсона, 4.

Захист відбудеться “20” вересня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розіслано “28” липня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І. Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Незадовільний сучасний стан водокористування при зрошенні в ринкових умовах потребує вдосконалення водокористування з метою одержання високих і сталих врожаїв овочів, оптимізації додаткового чистого прибутку від зрошення при дії системи ризиків, мінімізації антропогенного впливу на навколишнє середовище, недопущення підтоплення та засолення земель. Для забезпечення цих умов необхідно при взаємодії водопостачальників і сільгоспвиробників впровадити наукові основи нормованого водокористування, зокрема оптимізацію зрошувальних норм за системою еколого-економічних критеріїв та застосування водозберігаючих режимів зрошення.

На це націлює діюча Загальнодержавна програма розвитку водного господарства, мета якої “...є впровадження державної політики, спрямованої на запобігання антропогенного впливу на довкілля, ...запобігання шкідливій дії води і ліквідації її наслідків “, а в основу прогнозних розрахунків використання води для зрошуваного землеробства покладено водозберігаючі режими зрошення. Прийнята Державна програма запобігання і боротьби з підтопленням земель (затверджена Постановою Кабінету Міністрів України від 29 квітня 2004 р. №545) також передбачає розв’язання даних проблем: еколого-економічної регламентації водокористування; впровадження нормованого водокористування на основі оперативного планування водозберігаючих поливних режимів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано згідно з тематичним планом Інституту гідротехніки і меліорації УААН по завданням: 01.02. “Розробка моделі державного управління водогосподарсько-меліоративним комплексом в умовах ринкової економіки”, № держреєстрації 0101U004617 (2002 р.); 01.03. “Розробка методології прийняття економічних рішень при взаємодії водогосподарських організацій і водоспоживачів”, № держреєстрації 0103U008660 (2003-2005 рр.), № 21.1.062-05/11-33/7 „Дослідно - виробниче впровадження та апробація нормованого водокористування на основі оперативного планування водозберігаючих режимів зрошення в УВГ Херсонської області”, № держреєстрації 0106U000910 (2005 р.).

Мета досліджень полягає у розробці наукових методів оптимізації внутрішньогосподарського водокористування за системою критеріїв для одержання високих і сталих врожаїв при зрошенні овочевих культур в умовах плати за воду, обґрунтування напрямків його покращення на основі дослідження системи ризиків.

Основні завдання досліджень:

- удосконалити метод для оптимізації зрошувальних норм в умовах платного водокористування при зрошенні овочевих культур з урахуванням їхніх особливостей, що передбачає багатокритеріальну оптимізацію за критеріями додаткового чистого прибутку від зрошення та валової продукції в умовах обмеження погодного ризику;

- розробити модельний комплекс та провести моделювання для аналізу водокористування при зрошенні овочевих культур за економічними та ресурсними критеріями, оцінкою відносного погодного ризику водокористувачів з метою одержання високих і сталих врожаїв;

- проаналізувати систему ризиків для водопостачальників на прикладі окремих управлінь водного господарства, подати аналіз напрямків покращення платного водокористування при зрошенні;

- удосконалити систему реалізації нормованого водокористування.

Об’єктом досліджень є процес водокористування при взаємодії водопостачальників та водоспоживачів у сучасних ринкових умовах проведення зрошення.

Предметом досліджень є методи та моделі багатокритеріальної оптимізації платного водокористування в умовах ризиків при зрошенні овочевих культур.

Методи досліджень. Ідентифікацію залежностей “врожайність – вологозабезпеченість” виконано на основі методу сплайн–апроксимації. Для оптимізації зрошувальних норм використано імітаційно–оптимізаційний метод системного аналізу, графічні методи оптимізації, багатокритеріальну оптимізацію. Аналіз ризиків здійснюється за допомогою статистичного методу побудови гістограм, погодний ризик досліджується на основі моделей гри з природою за допомогою машинного експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в обґрунтуванні методів водокористування при зрошенні овочевих культур стосовно оптимізації зрошувальних норм та заходів з покращення платного водокористування, а саме:

- удосконалено метод оптимізації зрошувальних норм за критеріями відносної врожайності, додаткового чистого прибутку від зрошення, абсолютного та відносного погодного ризику;

- ідентифіковано залежності “врожайність – коефіцієнт вологозабезпеченості” для овочевих культур, які націлені на побудову оціночних функцій в задачах розрахунку зрошувальних норм при річному плануванні;

- встановлено закономірності формування оптимальних значень зрошувальних норм для овочевих культур залежно від умов року і величини плати за воду з урахуванням раціональних компромісних меж забезпеченості для управління ризиками водопостачальників і водоспоживачів;

- удосконалено схему реалізації нормованого водокористування та проведено аналіз системи ризиків за допомогою гістограм для покращення платного водокористування.

Практичне значення одержаних розрахунків полягає в тому, що вони дають змогу підвищити обґрунтованість параметрів нормованого водокористування при взаємодії водопостачальників та водоспоживачів, а саме:

- розроблено модельний комплекс і алгоритми, на основі яких проводять розрахунки на ПЕОМ, що забезпечують вибір економічно оптимальних зрошувальних норм з урахуванням ризиків для овочевих культур;

- результати досліджень увійшли складовою частиною в “Методику розрахунку зрошувальних норм при платному водокористуванні”, “Методику визначення розрахункової водозабезпеченості за системою економічних критеріїв” та до “Схеми комплексного захисту сільськогосподарських угідь та населених пунктів Херсонської області від підтоплення ґрунтовими водами та затоплення поверхневими водами”, які затверджено на Вченій раді ІГіМ УААН;

- систематизовано параметри водозберігаючих режимів зрошення для овочевих культур, які використано при підготовці міжгалузевого нормативного документу “Методичні рекомендації з оперативного планування режимів зрошення” та передано для впровадження в системі Держводгоспу України.

Результати наукової роботи впроваджено у навчальний процес і використовують при викладанні спецкурсу “Моделювання ґрунтових процесів в гідромеліорації” на кафедрі інформаційних технологій Херсонського державного аграрного університету та нормативних курсів “Моделювання складних систем”, „Моделювання ризиків в складних системах”, “Моделювання економічних, екологічних та соціальних процесів” на кафедрі прикладної математики Національного університету водного господарства та природокористування.

Особистий внесок дисертанта полягає в:

- науковому обґрунтуванні методу багатокритеріальної оптимізації зрошувальних норм при вирощуванні овочевих культур з урахуванням ризиків;

- узагальненні і систематизації даних спостережень, ідентифікації залежностей “урожайність - вологозабезпеченість”, розрахунку біологічно оптимальних та водозберігаючих режимів зрошення та на їхній основі визначенні відповідних зрошувальних норм у роки різної забезпеченості для овочевих культур;

- розробці модельного комплексу, алгоритмів, проведенні комп’ютерних розрахунків та аналізі внутрішньогосподарського водокористування при вирощуванні овочевих культур за економічними та ресурсними критеріями, оцінкою системи ризиків.

Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію на професорсько-викладацькій науково-практичній конференції будівельно-гідромеліоративного факультету “Еколого-економічні проблеми водогосподарського комплексу півдня України”, ХДАУ (Херсон, 23 травня 2002 р.); міжнародній науковій конференції молодих вчених “Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та їх вирішення”, ІЗПР (Херсон, сел. Наддніпрянське, 18-20 вересня 2002 р.); міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження доктора технічних наук професора Шапошникова Доната Григоровича “Еколого-економічні проблеми водогосподарського та будівельного комплексу півдня України”, ХДАУ (Херсон, 3-4 вересня 2003 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні: стан та перспективи” (Херсон, 12-13 березня 2003 р.); на науково-практичній конференції “Водне господарство: завдання в період реформування економіки і перспективи розвитку”, Держводгосп України (Київ, 4-5 грудня 2003 р.); на наукових семінарах кафедри прикладної математики, НУВГП (Рівне, 14-15 травня 2003 р. та 23 квітня 2004 р.); на другій міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні” (Херсон, 26-27 травня 2004 р.); на семінарі “Раціональне використання і охорона водних ресурсів”, Міністерство охорони навколишнього середовища (Київ, 2 грудня 2004р.), на науково-методичній конференції “Нормування водокористування у зрошуваному землеробстві”, ХДАУ (Херсон, 15-17 вересня 2005 р.), а також на щорічних засіданнях науково-технічної ради відділення зрошення ІГіМ УААН.

Публікації. За матеріалами досліджень, представленими в дисертації, опубліковано 11 робіт, у тому числі в брошурі - 1, у фахових збірниках – 6, у тезах і матеріалах наукових конференцій – 3, в журналах – 1.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та дев’яти додатків. Робота написана на 266 сторінках загального тексту, в тому числі містить 125 сторінок основного тексту, 19 таблиць, 56 рисунків, додатки на 77 сторінках та список використаних джерел зі 181 найменування.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано зв’язок роботи з науковими програмами і темами, зазначено новизну одержаних результатів, їхнє практичне значення.

У першому розділі „Основні задачі водокористування в умовах плати за воду при вирощуванні овочевих культур” на основі літературних даних проаналізовано функціонування в Україні зрошуваного землеробства, визначено основні еколого-економічні проблеми його розвитку та шляхи їх розв’язання.

Як відомо, різні аспекти водокористування розробляли: П.І. Коваленко, Ю.О. Михайлов, В.М. Попов, О.І. Жовтоног, К.І. Шавва, В.М. Кір’янов, П.І. Ковальчук та інші вчені. Значний вагомий внесок у розрахунок режимів зрошення сільськогосподарських культур внесли С.А. Алпатьєв, В.П. Остапчик, В.П. Писаренко, М.В. Данильченко, Л.А. Філіпенко, О.І. Жовтоног, М.І. Ромащенко, П.І. Ковальчук та ін. Режими зрошення овочевих культур досліджували Є.М. Горбатенко, В.М. Чернецький, Н.М. Ковальська, С.П. Дудник та інші. Проте в сучасних соціально – економічних умовах (при введенні плати за воду) актуальними є розвиток екологічних та економічних підходів до водокористування, зокрема покращення водокористування в умовах плати за воду.

Невирішеним питанням у сучасних умовах ведення зрошення на півдні України є вдосконалення водокористування, що передбачає оцінку зрошувальної норми на основі кількох економічних критеріїв (відносної валової врожайності, додаткового чистого прибутку та відносного погодного ризику) та застосування нормованого водокористування. Ведення нормованого водокористування повинно забезпечити, крім економічної ефективності зрошення, ще і екологічну, а саме: попередити прогресуючу деградація ґрунтів (підтоплення, втрату гумусу, вторинного засолення та інше), збереження родючості чорноземів і каштанових ґрунтів необхідно застосовувати при зрошенні тощо.

З аналізу випливає необхідність розв’язання поставлених задач водокористування, зокрема: оптимізувати зрошувальні норми, які забезпечують сталі врожаї та максимальні прибутки; збільшити об’єми водокористування на основі аналізу та управління ризиками.

У другому розділі „Методологія оптимізації водокористування при зрошенні в сучасних ринкових умовах взаємодії водоспоживачів і водопостачальників” для розв’язання поставлених задач вдосконалено методичну основу водокористування, а саме: виділені особливості овочевих культур з позицій системного моделювання, розглядаються методи прийняття оптимальних рішень при платному водокористуванні.

Схема методичного підходу до багатокритеріальної оптимізації водокористування при зрошенні (рис.1) включає: метод прийняття рішень для визначення оптимальних зрошувальних норм на основі багатокритеріальної оптимізації, методи моделювання та управління ризиком для обґрунтування заходів по покращенню водокористування, практичні рекомендації для реалізації нормованого водокористування.

Рис. 1. Узагальнена блок-схема методологічного підходу до вирішення задач оптимізації водокористування при зрошенні овочевих культур

Для моделювання критеріїв оцінки оптимального значення зрошувальної норми запропоновано використовувати метод моделювання залежностей “урожайність –вологозабезпеченість” на основі сплайн – апроксимації:

, (1)

де Y – фактичний врожай, ц/га; Ymax – максимальна урожайність, ц/га; K – коефіцієнт вологозабезпеченості (); u,щ – відповідно зрошувальні норми фактично подана та необхідна максимальна в роки різної забезпеченості, м3/га; о – опади за період вегетації, a0, а1, а2, b0, b1, b2 – коефіцієнти, що визначають для кожної культури окремо.

Залежності “урожайність – вологозабезпеченість” дають змогу розробити базу знань та проводити стохастичне моделювання економічних функцій для визначення оптимальних варіантів водокористування. Прийняття рішень здійснюється на основі теорії гри з природою.

Удосконалено метод оптимізації варіантів зрошувальних норм при вирощуванні овочевих культур, який базується на принципах багатокритеріальності. Прийняття рішень здійснюється графічно, виділенням області Парето за двома критеріями (критерії валової продукції та додаткового чистого прибутку). Третій критерій (критерій відносного погодного ризику водоспоживачів) використовується як обмеження. Ризик в цілому виражає імовірність настання несприятливої або небажаної події, пов’язаної з певними збитками, невдачами чи втратами.

Алгоритм прийняття рішень за трьома критеріями включає економічні критерії - валову продукцію (f1) та додатковий чистий прибуток від зрошення (f2) для конкретних років прогнозованої водозабезпеченості:

(2)

де f2(щ, о) – додатковий чистий прибуток від зрошення, грн/га; р – рівень забезпеченості проектної зрошувальної норми (щiпр), %; С – закупівельна ціна, грн/ц; С1, С2 – собівартість відповідно при зрошенні і на богарі (без витрат на подачу води), грн/ц; YП – плановий (проектний) урожай, ц/га; – відносна валова урожайність при зрошенні і на богарі, в частках одиниці; j, щiпр– відповідно значення поточних та проектних (лімітних) зрошувальних норм, м3/га; оj – опади, м3/га; лП – ціна за 1 м3 води, грн/м3.

Третій критерій відносного погодного ризику для водокористувачів характеризує стабільність одержання додаткового чистого прибутку від зрошення вирощуваних овочевих культур. Коефіцієнти відносного погодного ризику r- та корисностей r+ (для додатних та від’ємних значень функцій додаткового чистого прибутку), що виражають частки сумарних (за багаторіччя) збитків та корисностей до суми додатніх та від’ємних по модулю значень функцій, розраховуються за формулами:

, , (3)

де рi =1/n – імовірність появи і-го року.

Важливу роль у водокористуванні з точки зору водопостачальників має збільшення його об’ємів. Для цього запропоновано проводити аналіз системи ризиків (технологічного, екологічного, погодного, організаційного, фінансового) на основі моделі гри з природою та математичного методу побудови гістограм. Такий аналіз забезпечує визначення відносної частки ризиків, проведення їх порівняльного аналізу та вибір пріоритетних заходів для покращення водокористування в умовах плати за воду.

В умовах об’єктивного існування ризику недобору плати за воду водопостачальників і пов’язаних з ним технічних, технологічних, фінансових, моральних та інших витрат постає потреба в певному механізмі, який дав би змогу найраціональнішим із можливих способів з точки зору поставлених цілей враховувати ризик, приймаючи й виконуючи господарські рішення, які забезпечать покращення водокористування за умови плати за воду та відновлення зрошення. Таким механізмом є системне моделювання та управління ризиком.

Управління ризиком можна охарактеризувати як сукупність методів, прийомів та заходів, що дозволяють певною мірою прогнозувати настання ризикованих подій і вживати заходів щодо виключення чи зниження негативних наслідків їх настання, оптимізації ступеня ризику чи максимально можливого зменшення обсягів та ймовірності можливих збитків в умовах платного водокористування.

У третьому розділі „Ідентифікація модельного комплексу та моделювання при зрошенні овочевих культур” розглядається алгоритм прийняття оптимальних рішень при плануванні зрошення в умовах дефіциту ресурсів.

Для вирішення задач оптимального водокористування розроблено математичні моделі залежностей у вигляді сплайн-функцій “відносна урожайність – коефіцієнт вологозабезпеченості” та встановлено параметри (табл. 1) овочевих культур, які ідентифіковані на основі дослідних даних, виконаних Інститутом зрошуваного землеробства та дослідними станціями.

На основі розроблених моделей проводять розрахунки (рис. 2) функцій додаткового чистого прибутку від зрошення (для основних овочевих культур) залежно від комплексу факторів (закупівельні ціни, собівартість продукції при зрошенні і на богарі, собівартість подачі 1 м3 води, метеоданих та зрошувальних норм у роки різної забезпеченості та ін.). Вибір оптимального значення зрошувальної норми здійснюється графічно шляхом візуальної оцінки чистого прибутку, розрахованого за даними, які узгоджуються з сільгоспвиробником.

Таблиця 1

Параметри квадратичних моделей сплайн – функцій для овочевих культур

Назва культури | К0Коефіцієнти нелінійних сплайн - функцій | Оцінка точності моделей

а0 | a1 | a2 | b0 | b1 | b2 | д | Vд

Капуста | - | -11,78 | 25,56 | -12,78 | -11,78 | 25,56 | -12,78 | 0,082 | 0,101

Картопля | - | 0,1484 | 1,7032 | -0,8516 | 0,1484 | 1,7032 | -0,8516 | 0,055 | 0,068

Томати | - | -1,258 | 4,516 | -2,258 | -1,258 | 4,516 | -2,258 | 0,093 | 0,13

Огірки | 0,9 | -3,587 | 4,587 | -1,8894 | -1,8894 | 5,4012 | -2,491 | 0,167 | 0,023

Цибуля | 0,85 | -1,822 | 5,644 | -2,822 | -6,837 | 17,444 | -9,763 | 0,106 | 0,131

Баклажани | - | -0,135 | 2,27 | -1,135 | -0,135 | 2,27 | -1,135 | 0,075 | 0,099

Перець | - | -0,2724 | 2,5448 | -1,2724 | -0,2724 | 2,5448 | -1,2724 | 0,067 | 0,109

Враховуючи те, що в межах даних графіків (до значення біологічно оптимальної зрошувальної норми), функція відносної врожайності постійно зростає, тоді для багатокритеріальної оптимізації за Парето величини зрошувальної норми достатньо знайти оптимум функції додаткового чистого прибутку за відповідної ціни на воду в умовах конкретного року забезпеченості. Наприклад, для капусти пізньостиглої (рис. 2) в рік 75%–вої забезпеченості за ціни на воду 0 грн/м3 функція додаткового чистого прибутку зростає, тому область Парето знаходиться в одній точці і оптимальна зрошувальна норма становить 3964 м3/га. За ціни на воду 15 коп/м3 інтервал зрошувальних норм, що відповідає області Парето, становить [3200 м3/га; 3964 м3/га], а при ціні за воду 29 коп/м3 - становить [2400 м3/га; 3964 м3/га]. З даних інтервалів вибирається оптимальне значення зрошувальної норми, яке задовольняє умові суттєвого обмеження та мінімізації критерію відносного погодного ризику.

Рис. 2. Визначення області Парето – оптимальних значень зрошувальних норм для капусти за критеріями: 1 – відносна валова врожайність; 2 – додатковий чистий прибуток; а – ціна на воду 20 коп/м3; б – ціна на воду 29 коп/м3

При фіксованій платі за воду проведено графічний аналіз співставлення варіантів “додатковий чистий прибуток – зрошувальна норма” для овочевих культур (цибуля, капуста, огірки, томати, картопля). Такий аналіз у роки різної водозабезпеченості дає змогу водоспоживачам при відомій їм платі за воду оцінити як оптимальне значення додаткового чистого прибутку з відповідною потребою водних ресурсів, так і зменшене значення прибутку (при недостатніх фінансових можливостях господарств) з відповідним зменшенням зрошувальних норм.

У четвертому розділі „Покращення водокористування на основі моделювання та дослідження ризиків” проведено моделювання та дослідження ризиків з метою покращення водокористування. Узагальнена схема дослідження ризиків по покращенню водокористування включає аналіз технічного, екологічного, організаційного, фінансового та погодного ризиків, а також взаємодію цих ризиків. Аналіз погодного ризику включає ризики водоспоживачів та водопостачальників.

Для покращення водокористування з точки зору водоспоживачів проведено розрахунки відносних погодних ризиків на основі критерію додаткового чистого прибутку від зрошення (рис. 3). Дослідження показують, що величини ризиків залежать як від використовуваних режимів зрошення, так і від величини плати за воду:

- при замовленні води за біологічно оптимальними режимами зрошення, відносний ризик додаткового чистого прибутку від зрошення зменшується та при стабілізації становить r-=30-40%;

- при замовленні води за водозберігаючим режимом зрошення відносний ризик також зменшується і становить 40–50%.

Рис. 3. Залежності коефіцієнтів відносних ризиків r- та корисностей r+ (з точки зору водоспоживачів) від проектної забезпеченості року для цибулі при водозберігаючому режимі зрошення залежно від ціни на воду: а – 0 грн/м3; б – 0,2 грн/м3

Для встановлення оптимальної ціни за воду та збільшення об’ємів надходження плати за воду важливу роль має відносний погодний ризик для водопостачальників (рис. 4). Оцінка функцій відносних ризиків та корисностей водопостачальників показує, що зі збільшенням розрахункової водозабезпеченості ризики недобору плати за воду суттєво збільшуються і стабілізуються на рівні (pw=50–75%) та становлять: при використанні біологічно оптимальних режимів зрошення r-=90–100%; при використанні водозберігаючих режимів зрошення ризик залишається в межах > 80%.

Рис. 4. Залежності коефіцієнтів відносних ризиків r- та корисностей r+ (з точки зору водопостачальників) від проектної забезпеченості року для цибулі при водозберігаючому режимі зрошення залежно від ціни на воду: а – 0,1 грн/м3; б – 0,2 грн/м3

Дослідження дозволили конкретизувати раціональний компромісний інтервал забезпеченості року, а отже здійснити управління (рис. 5) ризиками водопостачальників і водоспоживачів при виборі зрошувальної норми у річному плануванні. Так, розрахунки показали, що найбільш ефективне управління досягається в інтервалі 20-80 % забезпеченості року.

Рис. 5. Область компромісних значень погодних ризиків водокористувачів (1) і водопостачальників (2) для ефективного управління водокористуванням

Системне моделювання взаємодії ризиків (рис. 6) дає можливість наглядно оцінити:

- відносну частку різних ризиків (технічного, екологічного, організаційного та фінансового) на основі відповідних гістограм і розробити найбільш ефективні заходи для їх зменшення на основі вкладення інвестицій;

- провести порівняльний аналіз ризиків по окремих господарствах, в цілому по районах, проаналізувати причини їх виникнення та здійснити обґрунтування заходів для покращення водокористування на основі їхнього розрахунку.

Рис. 6. Моделювання ризиків за платного водокористування у Чаплинському районі Херсонської області

У п’ятому розділі „Практична реалізація нормованого водокористування в умовах плати за воду” розглянуто три етапи реалізації нормованого водокористування.

На першому етапі реалізації нормованого водокористування в умовах плати за воду водопостачальнику та водокористувачу для сезонного планування зрошення необхідно на основі вирішення задачі багатокритеріальної оптимізації встановити інтервал оптимальних економічно-ефективних значень зрошувальних норм за критеріями відносної валової врожайності та додаткового чистого прибутку від зрошення (рис. 7).

Рис. 7. Визначення області Парето – оптимальних значень зрошувальних норм за критеріями урожайності та додаткового чистого прибутку для цибулі

У цьому разі як обмеження використовується також додатковий критерій відносного погодного ризику r- та корисності r+ для забезпечення певного рівня стабільного одержання додаткового чистого прибутку від зрошення (рис. 8).

Рис. 8. Визначення відносного погодного ризику r- та корисності r+ для року 75%–вої забезпеченості при вирощуванні цибулі ріпчастої за ціни на воду 0,2 грн/м3

На другому етапі за величиною визначеної норми встановлюються технологічні складові водокористування (основні положення по організації водокористування, необхідний режим зрошення, система оперативного планування поливів, оперативний аналіз використання води господарствами).

На третьому етапі проводиться контроль проведення поливів та сезонний аналіз використання води господарствами.

Принципова схема аналізу водокористування розглядається за такими двома напрямками: аналіз використання води по об’єктах (водовиділ або насосна станція); економічний аналіз використання води (порівняння додаткового чистого прибутку в даний рік за фактичною зрошувальною нормою і оптимальною зрошувальною нормою).

Економічна ефективність методу оптимізації водокористування визначається на основі порівняння додаткового чистого прибутку від зрошення двох варіантів – біологічно оптимального водокористування та запропонованого економічно ефективного водокористування при фіксованій ціні за воду, в конкретні роки водозабезпеченості, стосовно економічних умов водоспоживача (закупівельні ціни, собівартості тощо). У варіанті оптимального водокористування досягається економія водних ресурсів ?U (табл. 2) та відповідно економія електроенергії.

Екологічна ефективність застосування методу визначається на основі порівняння об’ємів водоподачі двома способами водокористування. При екологічно ефективному способі водокористування норма водопотреби завжди менша або дорівнює біологічно оптимальній водопотребі. Різниця ?U (табл. 2) показує зменшення антропогенного навантаження на ґрунти, що є економічно доцільним та екологічно необхідним.

Таблиця 2

Порівняльний аналіз економічної ефективності двох варіантів водокористування для капусти пізньостиглої

Ціна за воду л, грн/м3 | Біологічно оптимальне водокористування | Економічно оптимальне водокористування | Економічна ефективність ?U, грн/га | Зменшення антропогенного навантаження на ґрунт

?f, м3/га

зрошувальна норма

f1, м3/га | додатковий чистий прибуток U1, грн/га | зрошувальна норма

f2, м3/га | додатковий чистий прибуток U2, грн/га

Рік 75%–вої забезпеченості

0 | 3964 | 1263 | 3964 | 1263 | 0 | 0

0,03 | 3964 | 1065 | 3600 | 1068 | 364 | 3

0,05 | 3964 | 867 | 3600 | 888 | 364 | 21

0,09 | 3964 | 668 | 3200 | 716 | 764 | 48

0,15 | 3964 | 470 | 3200 | 556 | 764 | 86

0,21 | 3964 | 272 | 2800 | 407 | 1164 | 135

Рік 25%–вої забезпеченості

0 | 2828 | 774 | 2828 | 774 | 0 | 0

0,03 | 2828 | 633 | 2520 | 636 | 308 | 3

0,05 | 2828 | 491 | 2520 | 510 | 308 | 19

0,09 | 2828 | 350 | 2240 | 393 | 588 | 43

0,15 | 2828 | 209 | 1960 | 284 | 868 | 75

0,21 | 2828 | 67 | 1960 | 186 | 868 | 119

Висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове розв’язання наукової задачі оптимізації водокористування при зрошенні овочевих культур, що базується на багатокритеріальній оптимізації зрошувальних норм, застосуванні аналізу системи ризиків для покращення водокористування в умовах плати за воду.

1. Встановлено, що зрошення концентрується на економічно ефективних культурах (овочі, соя). Тому необхідно розробити удосконалений метод багатокритеріальної оптимізації варіантів ефективного водокористування, при зрошенні овочевих культур доцільно використовувати при системній оцінці та розрахунку зрошувальних норм для річного планування за критеріями валової врожайності, величини додаткового чистого прибутку від зрошення та за критеріями відносного і абсолютного погодного ризику.

2. Розроблена база знань включає модельний комплекс залежностей “відносна урожайність – коефіцієнт вологозабезпеченості” для овочевих культур, який використовується при багатокритеріальній оптимізації для встановлення закономірностей формування оптимальних значень зрошувальних норм залежно від умов року і величини плати за воду.

3. Графічний аналіз співставлення варіантів “додатковий чистий прибуток – зрошувальна норма” при фіксованій ціні на воду в роки різної водозабезпеченості забезпечує водоспоживачам достовірні оцінки як оптимальних значень додаткового чистого прибутку з відповідною потребою водних ресурсів, так і можливо зменшене значення прибутку (при недостатніх фінансових можливостях господарств) з відповідним зменшенням зрошувальних норм.

4. Розроблена схема управління водокористуванням в умовах плати за воду стосовно водопостачальників дає можливість провести аналіз системи ризиків (технологічного, екологічного, погодного, організаційного, фінансового), визначити відносні частки цих ризиків, провести порівняльний аналіз їх та на цій основі здійснювати вибір пріоритетних заходів для покращення водокористування.

5. Аналіз функцій відносних ризиків та корисностей водопостачальників показує, що зі збільшенням розрахункової водозабезпеченості ризики недобору плати за воду суттєво збільшуються: при використанні біологічно оптимальних режимів зрошення відносний ризик стабілізується (після рівня pw>75%) та дорівнює r-=90-100%; при використанні водозберігаючих режимів зрошення відносний ризик спочатку залишається мінімальним та після рівня pu=50-60% різко зростає та на рівні pu=95% ризик залишається в межах > 80%. Це дає змогу водопостачальникам вибрати цілком задовільні для стабільного надходження плати за воду величини зрошувальних норм та використовувати їх для визначення ціни на послуги з подачі води на зрошення земель.

6. Результати розрахунку абсолютних та відносних ризиків водоспоживачів показали, що додатковий чистий прибуток від зрошення залежить як від використовуваних режимів зрошення, так і від величини плати за воду, зокрема:

- при замовленні води за біологічно оптимальними режимами зрошення, відносний ризик додаткового чистого прибутку від зрошення різко зменшується до рівня r-=30-40 %: при ціні за воду до 0,2 грн/м3 ризик стабілізується на рівні pw>20 % і становить 30 %; при ціні за воду 0,4-0,6 грн/м3 ризик стабілізується на рівні pw>60 % і становить 40 %;

- при замовленні води за водозберігаючим режимом зрошення, відносний ризик різко зменшується і стабілізується на рівні pu=20-30% та становить: при ціні за воду до 0,2 грн/м3 - 22-28 %; при ціні 0,4 грн/м3 – 40 %, а при 0,5 грн/м3 – 50 %.

Для одержання стабільного і високого врожаю овочевих культур водоспоживач повинен замовляти воду з урахуванням раціональних інтервалів ризику, оцінювати абсолютні середньобагаторічні значення як збитків, так і прибутків.

7. Результати досліджень дали змогу конкретизувати при управлінні ризиками водопостачальників і водоспоживачів раціональний компромісний інтервал забезпеченості року при виборі зрошувальної норми у річному плануванні. Так, розрахунки показали, що найбільш ефективне управління досягається в інтервалі 20-75%–вої забезпеченості року.

8. На підставі розрахунків підтверджено, що в результаті застосування методу оптимізації зрошувальної норми досягається економічна та екологічна ефективність ведення зрошення. Так, при економічно ефективному варіанті зрошувальної норми додатковий чистий прибуток збільшується до 40%, здійснюється економія водних ресурсів до 30% та відповідно і електроенергії. Екологічна ефективність зрошення досягається завдяки зменшенню зрошувальних норм та антропогенного навантаження на ґрунти.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

Для умов виробництва з метою ефективної реалізації нормованого водокористування при вирощуванні овочевих культур в умовах плати за воду рекомендується:

1. Ведення нормованого водокористування, що включає:

- для річного планування подачі води на зрошення встановлювати інтервал оптимальних економічно ефективних значень зрошувальних норм за сукупністю критеріїв (відносної валової врожайності, додаткового чистого прибутку від зрошення, абсолютного та відносного погодного ризику r- та корисності r+);

- для оперативного планування поливних режимів визначати технологічні складові водокористування (необхідний режим зрошення, систему оперативного планування поливів, аналіз використання води господарствами) на основі встановлених зрошувальних норм.

2. Міжгалузевий нормативний документ “Методичні рекомендації з оперативного планування режимів зрошення”, який дає змогу реалізувати оперативне планування поливів овочевих культур на основі параметрів водозберігаючих режимів зрошення.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Брошури

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

Статті у фахових виданнях

1. П.І. Ковальчук, Н.В. Пендак Система ризиків в організації платного водокористування при зрошенні // Таврійський науковий вісник: Зб. наук. праць. Вип.28.– Херсон: Айлант, 2003.– с. 208–212.

2. Пендак Н.В. Інформаційне забезпечення для оптимізації платного водокористування при вирощуванні овочевих культур // Таврійський науковий вісник: Зб. наук. праць. Вип.31 (спеціальний).– Херсон: Айлант, 2004.– с. 250–255.

3. Ковальчук П.І., Пендак Н.В. Математичне моделювання урожайності овочевих культур для оптимізації водокористування при зрошенні в умовах погодного ризику // Меліорація i водне господарство .-2004.-Вип.91.-С.83–91.

4. Ковальчук П.І., Пендак Н.В. Моделювання погодного ризику для оптимізації платного водокористування при зрошенні // Рівне: Вісник УДУВГП, Вип.2 (26), 2004.– С.109-116.

5. Ковальчук П.І., Пендак Н.В. Багатокритеріальна оптимізація платного водокористування в умовах погодного ризику // Таврійський науковий вісник: Зб. наук. праць. Вип.41 – Херсон: Айлант, 2005,– С. 223–231.

6. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Пендак Н.В. Науково-методичні принципи прийняття рішень у платному водокористуванні // К.: Вісник аграрної науки. Спецвипуск, 2005.– С.22–24.

Тези наукових конференцій

1. Ковальчук П.І., Пендак Н.В., Мацко П.В. Оптимізація платного водокористування при вирощуванні ранньої картоплі // Актуальні проблеми ефективного використання земель: Зб. наук. пр. Інституту землеробства південного регіону, №3.- Херсон, 2002. – С. 83–85.

2. Ковальчук П.І., Пендак Н.В., Прудська А.О., Волошин М.М. Оптимізація водокористування на основі САПР в умовах проведення земельної реформи // Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні: стан та перспективи. – Херсон, 2003. – С.152–155.

3. Пендак Н.В. Екологічно безпечне зрошення на основі оперативного планування поливних режимів // Екологічний Вісник. № 5 (27). – С.6–8.

4. Пендак Н.В. Ризики в системі платного водокористування при зрошенні // Науковий вісник БГМФ–1: Зб. статей. – Херсон: Айлант, 2003. – С.129–133.

АНОТАЦІЯ

Пендак Н.В. Удосконалення водокористування з урахуванням ризиків при зрошенні овочевих культур (на прикладі Херсонської області). – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки) – Інститут гідротехніки і меліорації УААН.- Київ, 2005.

Удосконалено метод багатокритеріальної оптимізації водокористування з урахуванням погодного ризику, що дає змогу розрахувати економічно оптимальні зрошувальні норми для річного планування водокористування.

Запропоновано використовувати метод послідовної сплайн – апроксимації залежностей „відносна урожайність – коефіцієнт вологозабезпеченості” для розв’язання задач стохастичної оптимізації водокористування при зрошенні. Встановлено закономірності формування оптимальних значень зрошувальних норм для овочевих культур залежно від умов року і величини плати за воду з урахуванням раціональних компромісних меж забезпеченості для управління ризиками водопостачальників і водоспоживачів.

Для системного управління ризиками при зрошенні розроблено математичні моделі ризиків, які дають змогу водопостачальникам кількісно оцінити вплив різних факторів на ефективність водокористування. Проведено моделювання погодного ризику на основі побудови матриць гри з природою, оцінок ризиків в абсолютному та відносному вираженні для оптимізації надходжень від плати за воду водопостачальників та одержання високого і стабільного прибутку водоспоживачів.

Розглянуто основні принципи та підходи для впровадження нормованого водокористування на основі оперативного планування водозберігаючих режимів зрошення. Це дає змогу зменшити антропогенне навантаження на ґрунти та одержати суттєву економію водних ресурсів.

Ключові слова: сплайн–функції, водозберігаючий режим зрошення, багатокритеріальна оптимізація, критичний період сільськогосподарських культур, погодний ризик, оперативне планування поливів, ризики в системі платного водокористування.

АННОТАЦИЯ

Пендак Н.В. Усовершенствование водопользования с учетом рисков при орошении овощных культур (на примере Херсонской области). – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). - Институт гидротехники и мелиорации УААН.- Киев, 2005.

Усовершенствован метод многокритериальной оптимизации водопользования в условиях погодного риска, который позволяет рассчитать экономически оптимальные оросительные нормы для годового планирования водопользования.

Предложено использовать метод последовательной сплайн–аппроксимации зависимостей „относительная урожайность – коэффициент водообеспеченности” для решения задач стохастической оптимизации водопользования при орошении. Проведено расчеты биологически оптимальных и водосберегающих режимов орошения и на их основе определены соответствующие значения оросительных норм в годы разной обеспеченности для овощных культур. Определены зависимости формирования оптимальных значений оросительных норм для овощных культур в зависимости от условий года и величины платы за воду с учетом рациональных компромиссных границ для управления рисками водопоставщиков и водопотребителей.

Для системного управления рисками при орошении разработаны математические модели рисков (технического, организационного, финансового, погодного), которые позволяют водопоставщикам количественно оценить влияние разных факторов на эффективность водопользования и выбрать приоритетные мероприятия для улучшения или возобновления водопользования в условиях платы за воду. Проведено моделирование погодного риска водопоставщиков на основе построения матриц игры с природой, оценки рисков в абсолютном и относительном выражении для оптимизации поступлений от платы за воду. Также проведено моделирование погодного риска водопотребителей для оптимизации оросительной нормы при годовом планировании с целью получения высокой и стабильной прибыли.

Рассмотрены основные принципы и подходы для внедрения нормированного водопользования, которые можно представить в виде трех этапов: выбора экономически обоснованных оросительных норм на уровне годового планирования; оперативного планирования биологически оптимальных и водосберегающих поливных режимов; анализа водопользования. Это позволяет уменьшить антропогенное влияние на почвы и получать значительную экономию водных ресурсов.

Ключевые слова: сплайн–функции, водосберегающий режим орошения, многокритериальная оптимизация, критический период овощных культур, погодный риск, оперативное планирование поливов, риски в системе платного водопользования.

ANNOTATION

Pendac N.V. Water use improvement taking into account risks while vegetable irrigation (by the example of Kherson region). - Manuscript.

Thesis for the candidate’s degree of technical science for the speciality 06.01.02. – Agricultural reclamation (technical science) – Hydraulic Engineering and Land Reclamation Institute UAAS.- Kyiv, 2006.

The multicriterion optimization method of water use has been improved taking into account the weather risks, that enable to calculate the economically optimal irrigation rates for the annual water use planning.

At has been proposed to use the method of sequential spline-dependence approximation „relative yield – water supply coefficient” for task solution of the water use stochastic optimization while irrigation. The formation regularities of the irrigation rate best values for vegetables have been determined depending on the year conditions and water charge amount taking into account the rational compromise provision boundaries for the risk control of water providers and water consumers.

For the purpose of risk system control within the irrigation the risk simulation have been elaborated, which enable to water providers to evaluate quantitatively the influence of various factors on the water supply efficiency. The simulation of the weather risk has been fulfilled on the basis of game with nature matrix arraying, risk estimation in absolute and relative expression for the profit earning optimization from water charge for water providers and high and stable profit for water consumers.

The underlying principles and approaches to the standardized water use implementation have been considered on the water saving irrigation regimes. This enables to reduce the environmental load to soils and to win the essential saving of water resources.

Key words: