CC BY
0УДК 556.182.338
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-518-522
РАЗВИТИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ЭКОСИСТЕМНОМ ВОДОПОЛЬЗОВАНИИ В ЮЖНЫХ РЕГИОНАХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
DEVELOPMENT OF GEOINFORMATION TECHNOLOGIES FOR ECOSYSTEM WATER USE IN THE SOUTHERN REGIONS OF THE RUSSIAN FEDERATION
Исаева С.Д.1, Дедова А.А.2 Isaeva S.D.1, Dedova A.A.2
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный центр гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова»
(ФГБНУ «ФНЦ ВНИИГиМ им. А.Н Костякова»), Москва, Россия
2Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Государственный университет по землеустройству» (ФГБОУ ВО ГУЗ), Москва, Россия
1All-Russian Research Center for Hydraulic Engineering and Land Reclamation named after A.N. Kostyakov (VNIIGiM), Moscow, Russia
2Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "State University of Land Use Planning" (SULUP), Moscow, Russia
Е-mail: isaeva7sofia@yandex.ru, alena.zhe@bk.ru
Аннотация. Эффективное использование и управление водными ресурсами в условиях климатических изменений в южных регионах Российской Федерации, которые подтверждаются динамикой показателей тепло- и влагообеспеченности, становятся необходимой мерой для обеспечения устойчивости сельского хозяйства. Существующий дефицит водных ресурсов делает необходимым переход на экосистемное водопользование, предполагающее рациональное использование водных ресурсов для орошения при соблюдении ряда экологических ограничений. Для совершенствования и оптимизации интегрального управления мелиоративно-водохозяйственными комплексами разного иерархического уровня перспективно использование цифровых технологий. Цель работы - создания экспертной системы информационно-аналитической поддержки принятия решений по управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом с использованием геоинформационных и веб-технологий. Во ВНИИГиМ разрабатывается экспертная информационно-аналитическая система и ее воплощение в геоинформационную веб-систему поддержки принятия решений по интегральному управлению мелиоративной системой на примере Сарпинской обводнительно-оросительной системы (СООС) в Республике Калмыкия.
Ключевые слова: водные ресурсы, мелиоративно-водохозяйственный комплекс, геоинформационные технологии, веб-система, интегрированное управление.
Abstract. Effective use and management of water resources in the context of climate change in the southern regions of the Russian Federation is becoming a necessary measure to ensure the sustainability of agriculture. The existing shortage of water resources makes it necessary to switch to ecosystem-based water use, which involves the rational use of water resources for irrigation while observing a number of environmental restrictions. ^e use of digital technologies is promising for improving and optimizing the integrated management of land reclamation and water management complexes of different hierarchical levels. The goal of the work is to create an expert system of information and analytical support for decision-making on the management of the reclamation and water management complex using geoinformation and web technologies. VNIIGiM is developing an expert information and analytical system and its implementation into a geoinformation web-based decision support system for the integral management of the reclamation system using the example of the Sarpinskaya watering and irrigation system in the Republic of Kalmykia.
Key words: water resources, land reclamation and water management complex, geoinformation technologies, web system.
Введение. Рациональное использование и управление водными ресурсами в условиях текущих климатических подвижек становится необходимой мерой для обеспечения продовольственной безопасности России. В последние десятилетия происходят изменения тепло- и влагообеспеченности южных регионов Российской Федерации: Нижнего Поволжья, российской части бассейна Урала, юга Западной Сибири. Проведенные во ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова исследования подтвердили, что в вегетационный период прослеживаются явные тенденции сокращения увлажненности территории на юге страны, наблюдаются рост
среднегодовых температур воздуха, аномальные отклонения температуры и атмосферных осадков от нормы. Особые проблемы вызывает наличие вододефицита. При этом в регионах существует значительный физический износ мелиоративных систем, достигающий 80 и более % [1]. Таким образом, происходит усложнение условий ведения сельского хозяйства, т.к. увеличиваются климатические риски, велики риски технические, существует миграция населения, определяющая социальные риски.
Принципы экосистемного водопользования. В условиях неопределенности, связанных с рисками, принятие решений, необходимых для обеспечения стабильности ведения сельского хозяйства в южных регионах страны, должно опираться на надежное научно-методическое обоснование с учетом накопленного практического опыта. При этом существующий в степной и полупустынной зонах дефицит водных ресурсов для орошения делает необходимым переход на экосистемное водопользование, предполагающее соблюдение определенных принципов экосистемного водопользования, а именно:
- рассмотрение водного бассейна как единой водобалансовой системы;
- обязательность соблюдения экологических ограничений;
- развитие комплексного экологического мониторинга, контроля и учета используемой и отводимой воды;
- водопользование базируется на плановом развитии и ведении водохозяйственной деятельности;
- процесс обеспечения экосистемного водопользования осуществляется последовательно и неуклонно на всех иерархических уровнях водохозяйственных систем в границах речных бассейнов и на всех этапах технологического процесса водопользования;
- повышение эффективности функционирования гидромелиоративных систем за счет своевременного ремонта и модернизации, применения экологически безопасных и экономически эффективных технологий, конструкций, техники;
- обеспечение благоприятного экологического состояния мелиорированных земель.
Для реализации принципов экосистемного водопользования, как основы для
эффективного использования водных ресурсов, необходимо совершенствование управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом. При обосновании решений возможно использование современных информационных и цифровых технологий, математического моделирования и программного обеспечения, а при их реализации — новых технических решений, производственных и строительных технологий, конструкций и материалов и т.д. В целом, необходим переход на новый технологический уровень управления, подразумевающий широкое применение цифровых и геоинформационных технологий в процессе обоснования и принятия решений. Такой технологический подход повышает надежность и обоснованность принимаемых решений, что способствует устойчивости ведения орошаемого земледелия в условиях неблагоприятных климатических изменений [2, 3].
В основе управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом находится Система обоснования и принятия решений. Такая система должна опираться на надежную исходную информацию, ее анализ, прогнозы возможных изменений с учетом предполагаемых сельскохозяйственных и водохозяйственных воздействий и оценки экологических, социальных и экономических рисков, а также на решение задач по оптимизации использования земельных, водных и иных ресурсов. При этом управление должно быть интегрированным, направленным на параллельное обеспечение надежной работы гидротехнических сооружений (ГТС) мелиоративных систем, необходимых объемов водных ресурсов для орошения, а также благоприятного мелиоративного состояния земель, что в сочетании определяет эффективность мелиоративно-водохозяйственного комплекса. Соответственно должны приниматься синхронизированные решения по управлению всеми компонентами мелиоративно-водохозяйственного комплекса: ГТС, мелиорированными землями, водными объектами (водоисточниками и водоприемниками) [3].
Материалы и методы исследований. Во ВНИИГиМ разрабатывается экспертная информационно-аналитическая система, представляющая собой геоинформационную веб-систему поддержки принятия решений по интегрированному управлению мелиоративной системой. Исследования проводятся на примере Сарпинской обводнительно-оросительной системы (СООС) в Республике Калмыкия. Сформированная система позволяет адаптировать ее для принятия решений не только на локальном, но и региональном уровне управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом (речной бассейн, административная
территориальная единица). В этом случае возможно сопряжение решений, принимаемых на разных уровнях, в систему комплексных мероприятий.
Цель создания экспертной информационно-аналитической системы - поддержка принятия решений по управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом на основе цифровых технологий. Разрабатывается программный продукт с использованием геоинформационных и веб-технологий для обеспечения сбора, хранения, пополнения необходимой информации, ее предоставления, а также сужение области поиска рационального управленческого решения исходя из результатов исследований и повышение его обоснованности. Цифровые технологии в случае управления сложными системами, примером которых является мелиоративно-водохозяйственный комплекс (МВК), во многом облегчают и оптимизируют технологию управления, поскольку позволяют собирать и оперировать большими объемами исходной информации, обеспечивают оперативность их анализа, сопоставления и принятия решений [4-7].
Результаты исследований и их обсуждение. В настоящее время выполнен этап комплексных исследований по созданию алгоритмов и элементов цифровых технологий для разработки структуры и компонентов многоуровневой системы информационно-аналитической поддержки принятия решений по интегрированному управлению водными ресурсами в сельскохозяйственных мелиорациях.
В основу разработок были положены многолетние методические и натурные исследования ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова по экосистемному водопользованию, управлению водохозяйственным комплексом страны, контролю мелиоративного состояния орошаемых и осушенных земель, комплексному экологическому мониторингу мелиоративных систем, мелиорируемых земель, водных объектов, используемых при орошении земель, развитию IT-технологий и др. [5, 8-10]. Ведение комплексного экологического мониторинга позволяет контролировать соблюдение основных принципов экосистемного водопользования в орошаемом земледелии.
Ведение мониторинга, в первую очередь, включает:
- контроль технического состояния гидротехнических сооружений;
- контроль объемов и химического состава воды водоисточников и водоприемников;
- контроль эколого-мелиоративного состояния орошаемых земель и прилегающих территорий (режим грунтовых вод, динамика почвенных процессов).
В общем случае в комплексный экологический мониторинг входит также сценарный прогноз динамики показателей контролируемых систем, обоснование принимаемых решений. Для создания веб-Гис-системы функции комплексного экологического мониторинга расширены, что позволило сформировать информационно-аналитическую систему поддержки принятия решений.
В задачи исследований входили:
- разработка алгоритма многоуровневой информационно-аналитической системы поддержки принятия решений по интегрированному управлению мелиоративно-водохозяйственным комплексом как основы, разрабатываемой веб-ГИС-системы;
- сбор и систематизация данных в системе комплексного экологического мониторинга, разработка структуры и базы необходимой исходной информации и базы знаний для веб-ГИС-системы по обоснованию принятия решений по интегрированному управлению СООС в Республике Калмыкия;
- формирование программного состава геоинформационной веб-системы
- разработка основного интерфейса геоинформационной веб-системы;
- разработка веб-ГИС-системы для поддержки принятия решений по управлению водными ресурсами Сарпинской оросительно-обводнительной системы.
Цель исследований, а именно, разработка многоуровневой информационно-аналитической системы, определяет алгоритм геоинформационной веб-системы и ее архитектуру. В результате исследований разработаны и включены в архитектуру следующие подсистемы:
- комплексного экологического мониторинга;
- геоинформационная;
- моделей управления элементами МВК;
- аналитическая;
- решения оптимизационных задач.
Данные мониторинга поступают и систематизируются в блоке комплексного экологического мониторинга, дополняются данными ДДЗ в геоинформационной подсистеме. Для анализа ситуации возможно построение интерактивных веб-карт, содержащих показатели состояния и развития ситуации при водопользовании в пределах оросительно-обводнительной системы. Дополнительно к указанным выше, собранная информация в разрезе хозяйств включает кадастровые сведения, а также сведения о способах орошения и технике поливов, величинах фактической и потенциальной урожайности, практикующихся дозах вносимых удобрений и др. Поскольку система принятия решений включает аналитическую подсистему, то в подсистеме находятся результаты региональных научных, полевых и лабораторных исследований, систематизируются рекомендации по эффективным агромелиоративным приемам и системам земледелия на мелиорированных землях. Информация систематизируется, хранится в базах данных и иных формах, сопровождаются необходимыми базами знаний.
В подсистеме моделей управления элементами МВК разрабатываются алгоритмы и содержатся программные продукты, необходимые непосредственно для разработки системы предполагаемых решений. В разрабатываемой системе интегрированного управления предполагается использовать стандартные программные продукты и оригинальные, разработанные специально в рамках исследований.
Подсистема моделей и результаты моделирования позволяют найти определенные решения задач управления водными ресурсами и ранжировать результаты. Результаты оцениваются в аналитической подсистеме принятия решений, выбираются те из них, которые могут быть реализованы на объекте управления. Кроме того, в аналитический блок заложена возможность выбора отдельных фермерских хозяйств с целью сравнения эффективности проводимых мелиоративно-водохозяйственных мероприятий, систем земледелия и урожайности культур. Представленная возможность реализуется за счет специальных элементов пользовательского веб-интерфейса. В результате могут быть представлены итоги сравнительного анализа факторов ведения сельского хозяйства, например, доз вносимых удобрений, поливных норм, урожайности культур в виде интерактивных форм и графиков. Окончательное решение принимается по результатам, получаемым в подсистеме решения оптимизационных задач по эффективному использованию водных ресурсов с учетом экологических, экономических, социальных рисков.
Сложность окончательного решения задачи заключается во взаимной увязке в форме программного комплекса исходных данных, решаемых задач, осуществлении взаимодействия моделей и интеграции решений в систему управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом, в том числе, на разных иерархических уровнях: от речного бассейна до мелиоративной системы.
Заключение. Сформирована геоинформационная веб-система, предназначенная для совместного решения экологических, технических и эксплуатационных задач при управлении мелиоративно-водохозяйственным комплексом с целью обеспечения устойчивого развития сельского хозяйства на орошаемых землях. В ближайшей перспективе предстоит интеграция программных модулей в многофункциональную информационно-аналитическую систему, разработка пилотного проекта системы интегрального управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом Сарпинской обводнительно-оросительной системы в Республике Калмыкия, апробация системы интегрального управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом СООС в Республике Калмыкия
Список литературы
1. Isaeva S.D., Dedova E.B., Buber A.A. Use of Water Resources for Irrigation in the Southern Regions of Russia // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 666 (4). P. 042020. DOI: 10.1088/1755-1315/666/4/042020.
2. Шевченко В.А. Исаева С.Д., Дедова Э.Б. Новый этап развития мелиоративно-водохозяйственного комплекса Российской Федерации // Вестник Российской академии наук. 2023. Т. 93. № 4. С. 355-361.
3. Шевченко В.А., Исаева С.Д., Дедова Э.Б. Модель принятия решений в инновационных проектах развития сельскохозяйственного водопользования // Международный сельскохозяйственный журнал. 2022. Т. 65. № 2 (386). С. 124-128.
4. Бояркин А. Цифровизация управления: преимущества, технологии, этапы. 2022. URL: https://sales-generator.ru/blog/tsifrovizatsiya-upravleniya/?ysclid=lj78vsigr9332073574 (дата обращения: 31.01.2024).
5. Ильинский А.В., Коломийцев Н.В., Матвеев А.В., Евсенкин К.Н., Корженевский Б.И. Новые способы повышения продуктивности деградированных мелиорированных земель с применением информационных технологий. М.: ВНИИГиМ, 2022. 152 с.
6. Юрченко И.Ф. Концепция развития цифровизации комплексной мелиорации // Аграрная наука. 2022. № 1 (7-8). С. 199-209.
7. Щедрин В.Н., Васильев С.М., Слабунов В.В., Слабунова А.В., Завалин А.А. Подходы к формированию информационной системы «Цифровая мелиорация» // Информационные технологии и вычислительные системы. 2020. № 1. С. 54-64.
8. Коломийцев Н.В., Матвеев А.В. Создание информационно-справочной системы на базе веб-технологий для обоснования выбора технологий восстановления плодородия почв и рекультивации деградированных агроландшафтов // Роль мелиорации в обеспечении продовольственной безопасности. М., 2022. С. 345-352.
9. Ильинский А.В., Матвеев А.В., Евсенкин К.Н. Информационно-справочная Web-система для принятия управленческих решений по повышению продуктивности почв мелиорированных сельскохозяйственных земель // Мелиорация и водное хозяйство. 2021. № 5. С. 15-18.
10. Матвеев А.В., Шабанов Р.М., Дедова Э.Б., Исаева С.Д. Создание экспертной системы на базе геоинформационных и веб-технологий для совершенствования организации управления мелиоративно-водохозяйственным комплексом Республики Калмыкия // Сельский механизатор. 2024. № 2. С. 34-36.
