Vestnik of Kazan State Agrarian UniversityVestnik of Kazan State Agrarian UniversityВестник Казанского государственного аграрного университета2073-04622221910.12737/article_5b3504cd1487c7.23114959Технические наукиТехнические наукиAPPLICATION OF FUZZY LOGIC ELEMENTS UNDER THE EVALUATION OF WATER-SAFETY IN THE PLANT-SOIL-AIR SYSTEMПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ FUZZY LOGIC ПРИ ОЦЕНКЕ ВЛАГООБЕСПЕЧЕННОСТИ В СИСТЕМЕ РАСТЕНИЕ-ПОЧВА-ВОЗДУХАлексеевВиктор ВасильевичAlekseevViktor Vasil'evich
Чебоксарский кооперативный институт - Чебоксарский филиал Российского университета кооперацииCheboksary Cooperative Institute, Russian University of CooperationЧувашская государственная сельскохозяйственная академияChuvash State Agrocultural AcademyЧебоксарский техникум строительства и городского хозяйстваРоссияЧебоксарский техникум строительства и городского хозяйстваRussian FederationЧувашский государственный аграрный университетЧувашияРоссияChuvash State Agrarian UniversityChuvashRussian FederationЧувашский государственный аграрный университетЧебоксарыРоссияChuvash State Agrarian UniversityCheboksaryRussian Federation132P16266https://zh-szf.ru/en/nauka/article/22219/view
Принятие правильных решений в повседневной практической деятельности агротехнолога является важнейшей составляющей, определяющей условия роста и развития растений. Особенную важность оно принимает в условиях неполной (нечеткой) информации. Одним из перспективных направлений решения проблем прогнозирования и моделирования природных и корректируемых человеком явлений и процессов является нечеткая логика (fuzzy logic). Изучению вопросов прогнозирования погодных условий, для наименее затратного создания оптимальных условий роста и развития сельскохозяйственных растений посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых и, соответственно, имеются различные и иногда противоречивые точки зрения на определение прогнозных норм и сроков поливов. Полученные в большинстве исследований зависимости и расчетные формулы, описывающие связь объемов поступающей с осадками или поливом воды с процессами ее инфильтрации в почву во многих случаях специализированы для определенных почв в конкретных условиях и далеко не всегда переносимы от почвы к почве. В связи с этим, в статье рассмотрены вопросы моделирования частоты и интенсивности осадков по данным многолетних наблюдений, а также численных расчетов интенсивности впитывания воды в почву при естественных осадках и орошении. Такой подход позволяет планировать эрозионно-безопасные поливы, которые в сочетании с естественными осадками, обеспечивают благоприятный режим в системе растение-почва-воздух и соответственно получение высоких урожаев для рассматриваемых земель. Состояние почвы в различные моменты времени во многом определяет как, с одной стороны, долю впитывающейся воды, так и, с другой стороны, долю стекающей воды. И если первая часть напрямую связана с влагообеспеченностью растений, то вторая непосредственно определяет опасность возникновения эрозионных процессов. На скорость впитывания воды в почву комплексное влияние оказывают такие факторы, как удельная поверхность, пористость почвы, ее начальная влажность, структурность и водопрочность агрегатов, корневая система и густота растений др.
Making the right decisions in the everyday practical activities of the agrotechnologist is the most important component determining the conditions for the growth and development of plants. It takes special importance in the conditions of incomplete (fuzzy) information. One of the perspective directions of solving problems of forecasting and modeling natural and human-corrected phenomena and processes is fuzzy logic. Studies of weather forecasting and the least costly creation of optimal conditions for the growth and development of agricultural plants are devoted to the work of many domestic and foreign scientists and, accordingly, there are various and sometimes contradictory points of view on the definition of predicted norms and the timing of irrigation. The relationships obtained in most of the studies and the calculation formulas describing the relationship between the volumes of water entering the sediments and watering with the processes of its infiltration into the soil are in many cases specialized for certain soils under specific conditions and are not always portable from soil to soil. In this regard, the paper discusses the modeling of the frequency and intensity of precipitation from long-term observations, as well as numerical calculations of the intensity of water absorption into the soil under natural precipitation and irrigation. This approach allows planning erosion-safe irrigation, which, in combination with natural precipitation, provides a favorable regime in the plant-soil-air system and, accordingly, obtaining high yields for the land under consideration. The state of the soil at different times determines in many respects how, on the one hand, the proportion of soaking water, and, on the other hand, the proportion of running water. And if the first part is directly connected with the moisture supply of plants, the second directly determines the danger of erosion processes. The rate of water absorption into the soil is influenced by factors such as specific surface area, soil porosity, initial humidity, structural and water resistance of aggregates, root system and plant density, etc.
Для моделирования и прогнозирования погодных условий (в нашем случае времени, частоты, продолжительности и интенсивности осадков) вполне перспективным направлением является использование законов нечеткой логики (fuzzy logic). Использование аппарата нечеткой системы связано с тем, что поставленная задача имеет неопределенность и неточность исходной информации. Процесс принятия решений в этом случае имеет многокритериальный и достаточно сложный характер. Неопределенность и неточность информации вытекает из обработки вышеперечисленных данных об осадках за 50-летний период. Использование кластерного анализа позволило разбить весь массив данных на 5-6 наиболее вероятных случаев. Внутри каждого кластера, согласно законам математической статистики, выявлены характерные кластеру сведения о времени, частоте, продолжительности и интенсивности осадков. То есть после анализа были определены их средние значения (диапазоны) и соответствующими вероятностями для каждого дождя в рассматриваемом кластере. Условно на нечеткие подмножества делятся интенсивности и продолжительности осадков.Поскольку интенсивности увлажнения и испарения воды из почвы зависят как от ее свойств, так и от внешних условий, то вполне могут быть использованы выводы о состоянии влаги в почве, полученные с помощью нечеткой логики. Факторы, определяющие испарение и скорость промачивания изучены недостаточно и поэтому при прогнозировании возникает ряд трудностей. Общих универсальных методов для описания испарения и увлажнения почвы в литературе не найдено, а имеющиеся модели ограничены применением только в определенных условиях из-за сделанных допущений. Расход влаги из почвы условно можно разделить на два вида: производительный – потребление влаги растительным покровом и непроизводительный – испарение с поверхности почвы, инфильтрация, сток воды и т.п. После стока вод и инфильтрации наибольшая доля расхода приходится на испарение с поверхности почвы [1]. Почва при этом может иссушаться до глубины 20 см, а в засушливых районах 40 см и более. Кроме свойств почвы скорость испарения зависит от таких внешних условий, как температура, скорость ветра, форма поверхности и растительный покров. Испарение воды во многом зависит от температуры, которая определяет энергетику почвенной влаги. При рассмотрении испарения однако учтем дополнительные затраты энергии, связанных с тем, что в почве при уменьшении объема влаги величина поверхности конденсированной фазы увеличивается. Полученные в большинстве исследований отечественных и зарубежных ученых зависимости и расчетные формулы, описывающие процессы инфильтрации во многих случаях специализированы для определенных почв в конкретных условиях и далеко не всегда переносимы от почвы к почве.
Алексеев, В.В. Исследование профилей увлажнения почвы с уплотненным слоем при дождевании и поверхностном поливе / В.В. Алексеев // Природообустройство, 2016. № 4. С. 92-96.Alekseev V.V. Investigation of humidification profiles of soil with a dense layer during sprinkling and surface watering. [Issledovanie profiley uvlazhneniya pochvy s uplotnennym sloyem pri dozhdevanii i poverkhnostnom polive / V.V. Alekseyv // Prirodoobustroystvo. - Nature Engineering. 2016. № 4. S. 92-96.Алексеев, В.В. Уточненная оценка уплотненного состояния почв / В.В. Алексеев // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова № 5, Саратов, 2013. C. 49-51.Alekseev V.V. Refined assessment of compacted soil condition Utochnennaya otsenka uplotnennogo sostoyaniya pochv / V.V. Alekseyev // Vestnik Saratovskogo gosagrouniversiteta im. N.I. Vavilova. -The Herald of Saratov State Agrarian University named after N.I. Vavilov. №5, Saratov, 2013. - P. 49-51.Алексеев, В.В. Использование последовательных измерений коэффициента фильтрации для оценки уплотненного состояния почв / В.В. Алексеев // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2013. № 4 (102). С. 088-092.Alekseev V.V. Use of successive measurements of the filtration factor to evaluate the compacted state of soils Ispol'zovaniye posledovatel'nykh izmereniy koeffitsiyenta fil'tratsii dlya otsenki uplotnennogo sostoyaniya pochv / V.V. Alekseyev // Vestnik Altayskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - The Herald of Altai State Agrarian University. 2013. № 4 (102). P. 088-092.Алексеев В.В., Максимов И.И. Гидрофизика почв в мелиорации: Монография. Чебоксары: «Новое время», 2017. 280 с. ISBN 978-5-906983-38-1.Alekseev V.V., Maksimov I.I. Gidrofizika pochv v melioratsii: Monografiya. [Hydrophysics of soil in land improvement: Monograph]. - Cheboksary: “Novoe vremya”, 2017. - P. 280. ISBN 978-5-906983-38-1.Амиров М.Ф. Агротехнологии технических культур / Амиров М.Ф., Валеев И.Р., Валиев А.Р. и др.// В книге: Система земледелия Республики Татарстан. В 3-х частях. Казань, 2014. С. 178-250.Amirov M.F. Agrotechnologies of commercial crops [Agrotehnologii tehnicheskih kultur ] / Amirov M.F., Valeev I.R., Valiyev A.R., etc.//In the book: System of agriculture of the Republic of Tatarstan. [Sistema zemledeliya Respubliki Tatarstan]. - In 3 parts. Kazan, 2014. Page 178-250.Васильев, С.А. Определение эквивалентной шероховатости стокоформирующей поверхности для оценки противоэрозионных мероприятий на склоновых землях / С.А. Васильев, И.И. Максимов, В.В. Алексеев // Мелиорация и водное хозяйство. 2014. № 4. С. 32-34.Vasilev S.A. Determination of the equivalent roughness of the stokoforming surface for the evaluation of erosion control measures on slope lands. [Opredelenie ekvivalentnoy sherokhovatosti stokoformiruyuschey poverkhnosti dlya otsenki protivoerozionnykh meropriyatiy na sklonovykh zemlyakh]. / S.A. Vasilev, I.I. Maksimov, V.V. Alekseev // Melioratsiya i vodnoe khozyaystvo. - Melioration and water management. 2014. № 4. - P. 32-34.Максимов, И.И. Оценка эффективности функционирования системы машина-почва-растение / И.И. Максимов, В.И. Максимов, А.Н. Михайлов, В.В. Алексеев // Тракторы и сельхозмашины. 2013. № 11. С. 28-34.Maksimov I.I. Evaluation of the effectiveness of the machine-soil-plant system. [Otsenka effektivnosti funktsionirovaniya sistemy mashina-pochva-rastenie]. / I.I. Maksimov, V.I. Maksimov, A.N. Mikhaylov, V.V. Alekseev // Traktory i selkhozmashiny. - Tractors and agricultural machinery. 2013. № 11. P. 28-34.Мяло В.В., Демчук Е.В., Союнов А.С., Голованов Д.А. Совершенствование орудий для влагосберегающей обработки почвы // Достижения науки и техники АПК . - 2015. - №1. - C. 52-54.Myalo V.V., Demchuk E.V., Soyunov A.S., Golovanov D.A. Improvement of tools for water-saving cultivation of soil [Sovershenstvovanie orudiy dlya vlagosberegayuschey obrabotki pochvyi] // Dostizheniya nauki i tekhniki apk. - Advances in -agriculture science and technology. - 2015. - №1. - C. 52-54.Сысуев, В.А. Получение основной гидрофизической характеристики почв на основе трехмерных моделей / В.А. Сысуев, И.И. Максимов, В.В. Алексеев, В.И. Максимов // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук № 5, 2013. C. 63-66.Sysuev V.A. Obtaining the basic hydrophysical characteristics of soils on the basis of three-dimensional models. [Poluchenie osnovnoy gidrofizicheskoy kharakteristiki pochv na osnove trekhmernykh modeley]. / V.A. Sysuev, I.I. Maksimov, V.V. Alekseev, V.I. Maksimov // Doklady Rossiyskoy akademii selskokhozyaystvennykh nauk. - Artilces of Russian Academy of Agriculture. № 5, 2013. - P. 63-66.Сысуев, В.А. Водосборная площадь малых рек как объект антропогенного агроландшафта (на примере реки Цивиль) / Сысуев В.А., Максимов И.И., Максимов В.И., Алексеев В.В. // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2013. № 5 (36). С. 59-65.Sysuev V.A. The catchment area of small rivers as an object of anthropogenic agrolandscape (by the example of Tsivil river). [Vodosbornaya ploshad malykh rek kak obekt antropogennogo agrolandshafta (na primere reki Tsivil)]. / Sysuev V.A., Maksimov I.I., Maksimov V.I., Alekseev V.V. // Agrarnaya nauka Evro-Severo-Vostoka. -Agrarian science of the Euro-North- East. 2013. № 5 (36). P. 59-65.Alekseev, V.V., & Maksimov, I.I. (2013) Aerodynamic method for obtaining the soil water retention curve. Eurasian Soil Science, Vol. 46, No. 7, 751-757. ISSN 1064 2293Alekseev, V.V., & Maksimov, I.I. (2013) Aerodynamic method for obtaining the soil water retention curve. Eurasian Soil Science, Vol. 46, No. 7, 751-757. ISSN 1064 2293Sysuev, V.A., Maksimov, I.I., Alekseev, V.V., & Maksimov, V.I. (2013).Soil Water Retention Curves Based on Idealized Models. Russian Agricultural Sciences, Vol. 39, No. 5-6, 522-525. ISSN 1068 3674Sysuev, V.A., Maksimov, I.I., Alekseev, V.V., & Maksimov, V.I. (2013).Soil Water Retention Curves Based on Idealized Models. Russian Agricultural Sciences, Vol. 39, No. 5-6, 522-525. ISSN 1068 3674Maksimov, I.I., Maksimov, V.I., Vasil’ev, S.A., & Alekseev V.V. (2016) Simulation of channel development on the surface of agrolandscapes on slopes. Eurasian Soil Science, 49. № 4. 475-480.Maksimov, I.I., Maksimov, V.I., Vasil’ev, S.A., & Alekseev V.V. (2016) Simulation of channel development on the surface of agrolandscapes on slopes. Eurasian Soil Science, 49. № 4. 475-480.