Методологические основы оценки экологической и энергетической эффективности технолого-технических систем в растениеводстве

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

РАЗДЕЛ II ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕХАНИЗИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ПРОДУКЦИИ РАСТЕНИЕВОДСТВА

УДК 631.95:631.431.7

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

А.Н.ПАНАСЮК, д-р техн. наук; Р.А. КАШБУЛГАЯНОВ, канд. техн. наук; А.В. ЛИПКАНЬ ФГБНУ «Дальневосточный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства», г. Благовещенск, Россия

В статье представлены методологические основы решения проблемы нарастающего уровня техногенного механического воздействия на почву, которые нарушают её возможности к естественному восстановлению плодородия и которые направлены на сохранение самовосстановительного потенциала природной среды на основе новых агроэкологических принципов.

Сформулированы зонально-экологические задачи, разработан алгоритм формирования экологически безопасных и энергоэффективных машин и технологий, отвечающих требованиям сохранения и восстановления плодородия за ротационный цикл севооборота. Для экологической и энергетической оценки рассматриваемых подсистем и технолого-технической системы в целом дифференцировано понятие «урожайность».

Разработаны показатели оценки технолого-технических систем, с помощью которых предложено оценивать в порядке сопоставления начальные и планируемые данные с фактическими результатами и в зависимости от причин возникновения изменения затрат регулировать соответствующие элементы технолого-технической системы. В качестве основного критерия экологической и энергетической эффективности реализации технолого-технической системы возделывания сельскохозяйственных культур принята энергия, полученная с урожаем, которая учитывает различные виды источников воздействия на формирование урожая в соответствии с принципами агротехнологической эффективности и адаптивности технолого-технических систем к зональным условиям.

Ключевые слова: методологические основы; движитель; показатель воздействия на почву; энергия, полученная с урожаем; экологическая эффективность; энергетическая эффективность.

METHODOLOGICAL FRAMEWORK FOR ASSESSMENT OF ECOLOGICAL AND ENERGY EFFICIENCY OF TECHNOLOGICAL AND TECHNICAL SYSTEMS IN CROP PRODUCTION

AN. PANASIUK, DSc (Engineering); R.A. KASHBULGAYANOV, Cand. Sc. (Engineering); A.V. LIPKAN'

Federal State Budget Scientific Institution "Far Eastern Scientific Research Institute of Mechanization and Electrification for Agriculture", Blagoveshchensk, the Russian Federation

The article presents the methodological basis to address the problem of increasing man-caused mechanical impact on soil, which exceeds the soil ability for natural restoration of fertility, with the aim to preserve the self-regenerative potential of the natural environment on the basis of new agro-ecological principles. The methodological basis is considered as a system of principles and methods to organize the

environmentally friendly machine-based farming, to improve and create new methods and approaches to achieve the set goal - identification of variation patterns of ecological, energy, technical and economic indicators and parameters of "technology-machine-wheel/track assembly-soil-yield" system in terms of indicators characterizing the anthropogenic impact of machines and equipment on natural systems. Zonal ecological problems were formulated; an algorithm was developed to create environmentally safe and energy-efficient machines and technologies, which would meet the requirements of conservation and restoration of fertility within a rotational cycle of crop rotation. The "crop yield capacity" concept was differentiated for ecological and energy assessment of subsystems under consideration and the technological and technical system as a whole. Estimation indicators of technological and technical systems were identified, which would help to compare the initial and planned data with the actual results; and, depending on the reasons for changes in costs, to adjust the relevant elements of the technological and technical system. The harvested crop energy was adopted as the main criterion of ecological and energy efficiency of implementation of the technological and technical system of crop cultivation. It takes into account different types of impact sources on crop formation according to the principles of agro-technological efficiency and adaptability of technological and technical systems to zonal conditions.

Keywords: methodological framework; running gear; soil impact measure; harvested crop energy; ecological performance; energy efficiency.

ВВЕДЕНИЕ

Для современного сельскохозяйственного производства увеличение выпуска новых мощных мобильных энергосредств (тракторы, уборочные комбайны), а также замена выбывающей техники более тяжелой и скоростной с колесными движителями, обеспечивающими высокую силу тяги, чревато более глубоким и объемным распространением уплотняющих деформаций в почвенном горизонте в зависимости не только от свойств почвы, но и от конструкции конструктивных размеров движителя, массы трактора.

Уплотняющее воздействие ведет к нарушению оптимальных значений плотности почвы для выращивания сельскохозяйственных культур. В период муссонных дождей, характерных для летне-осеннего периода, из-за низкой водоаккумулирующей способности почв идет медленная фильтрация, наблюдается поверхностный смыв почвы, что приводит к водной эрозии, а во время весенней засухи иссушенная почва за счет взаимодействия с движителями машин измельчается и, как следствие, развивается ветровая эрозия. В совокупности это вызывает неравномерные всходы, изреженность посевов и, в конечном итоге, потери урожая.

Применяемые новые средства механизации мало адаптированы к зональным почвенно-климатическим условиям, биологическим свойствам районированных сортов.

Суть проблемы заключается в нарастающем техногенном воздействии до уровня, превышающего возможности почвы к естественному восстановлению плодородия.

В результате возникает противоречие между ростом потребности в экологически чистой продукции растениеводства и дегумификацией, переуплотнением и засорением почвы, вызывающих изреженность посевов и снижение урожайности культур.

Решение проблемы нами видится в реализации машинных технологий, направленных на сохранение самовосстановительного потенциала природной среды на основе новых агроэкологических принципов и критериев.

Настоящие методологические основы в контексте поставленной проблемы рассматриваются, как система принципов и способов организации экологического

56

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

машинного земледелия, совершенствования и конструирования новых методов и подходов достижения цели - выявление закономерностей изменения экологических, энергетических и технико-экономических показателей и параметров системы «технология-машина-движитель-почва-урожай» от показателей, характеризующих техногенное воздействие технических средств на природные системы.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

При проектировании методологии учитывались множества взаимосвязанных факторов, которые начинались с рассмотрения поставленных производственных задач, сгруппированных в заданные параметры и технологических процессов, объединенных в производственный цикл. В результате система представлялась, как иерархическое построение, где каждая стоящая на более высоком уровне подсистема состоит из ряда нижестоящих подсистем. Определяющую роль в структуре занимали технологические процессы, как основа логической схемы функционирования технолого-технической системы и структурно-функциональных связей внутри ее. При разработке методологии исследовались явления и процессы, возникающие в системе «технология-машина-движитель-почва-урожай» при реализации машинных технологий в растениеводстве, их взаимосвязи и противоречия. Основной метод теоретических исследований базировался на системном многоуровневым анализе и методах математического моделирования, положениях классической механики, механике грунтов, дифференциального и интегрального исчисления, статистических методов сбора и обработки информации, а также использовались современные ГОСТы и исходные требования на базовые процессы и методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства (ВИМ).

Результаты и обсуждение.

Достигаемая цель - устойчивое природно-антропогенное равновесие, экологическая безопасность и энергосбережение в проектируемой системе технологий и машин для комплексной механизации растениеводства.

Ожидаемый результат — создание нового, высокоэффективного поколения полевой энергетики, способной реализовать принципы экологической безопасности и энергосбережения в растениеводстве, и на этой основе - создание экологически чистых технологий производства продукции с наперед заданными количественными и качественными показателями.

Технологические процессы и реализующие их машины и агрегаты, как элементы системы «технология-машина-движитель-почва-урожай», сводятся к обобщенному понятию «технолого-техническая система», которая представляется в виде подсистем: «машина-движитель-почва» и «технология-почва-урожай (растение)» (рисунок 1), - подчиняющихся общим и частным принципам эволюции.

Системный подход к проблеме учета техногенного уплотняющего механического воздействия на почву позволяет утверждать, что технологические процессы в растениеводстве должны выполнять две функции: производство сельскохозяйственной продукции и «производство плодородия» почвы [1], поскольку потеря естественного плодородия почвы, вследствие нерационального её использования, не может быть восполнена ни чем [2]. «Производство плодородия» в данном аспекте настоящей работы определяется уровнем силового воздействия ходовых систем на почву, а качественная оценка - соотношением полезных и «негативных» энергозатрат в ходе реализации технологических

процессов.

Рис. 1. Методологические принципы проектирования технолога-технических систем

Таким образом, влиять на урожай возможно следующими способами:

1) через машину (изменение конструктивно-режимных параметров машины и, соответственно, воздействия машины на почву);

2) через почву (изменение техногенеза и, как следствие, агрофитоценоза).

В системе агроэкологических принципов нельзя не учитывать принцип «зональности» в технологиях растениеводства. «Зональный принцип» предполагает выделение основных для определенной территории признаков, определяющих характерные (отличительные) ее особенности. К ним относятся, в первую очередь, площадь пашни, характеристика полей, климат, почвы. Вопрос о целесообразности и эффективности использования машин и агрегатов зависит от этих зональных отличий, которые в общепринятом понимании называются системообразующими факторами.

Зонально-экологические задачи, на решение которых направлена разрабатываемая методология:

1) устранить переуплотнение почвы;

2) устранить дегумификацию и повысить плодородие почвы;

3) устранить эрозию почвы;

4) устранить негативное влияние весенней засухи и летне-осеннего переувлажнения за счет увеличения водоаккумулирующей способности почвы и снижения уровня техногенного химического и механического воздействия машин на почву;

5) устранить вегетационные потери урожая.

Формирование экологически безопасных и наименее затратных в энергетическом плане машин и технологий и, как следствие, отвечающих требованиям по сохранению и

восстановлению плодородия за ротационный цикл севооборота необходимо производить в виде пошаговых действий:

- оценка результата изменения конструктивно-режимных параметров машин;

- оценка изменения качества и активности почвенной биоты вследствие воздействия движителей машин;

- оценка экологического ущерба (превышение допустимых порогов воздействия на окружающую среду, требующее дополнительных затрат, связанных с ликвидацией переуплотнения почвы и с устранением экологического загрязнения);

оценка энергетического ущерба, связанного с нерациональным выбором конструктивно-режимных параметров МЭС, влекущим истирание почвы, эрозию почвы и т.д., и затратами энергии на устранение последствий механического уплотняющего воздействия на почву;

- оценка изменения урожая и(или) биомассы растений вследствие изменения агрофитоценоза в техногенезе.

Последним этапом в оценке технолого-технической системы является расчет интегральных показателей оценки её эффективности, в том числе на устранение деградации почвы; размеров потерянной продукции; природосообразной продуктивности.

В работе [3] установлено, что для подсистемы «машина-движитель-почва» достаточно будет осуществления контроля за уровнем техногенного механического воздействия МТА на почву и сопоставление энергозатрат на уплотнение почвы и самопередвижение технических средств и последующих дополнительных затрат энергии, связанных с разуплотнением почвы, с восстановлением почвы до ее исходных характеристик.

Показатели воздействия движителей мобильной техники на почву подробно представлены в работе [5].

Поэтому в контексте настоящей статьи рассмотрим показатели экологической и энергетической оценки и контроля подсистемы «технология - почва - урожай (растение)» и технолого-технической системы в целом.

Для этого дифференцируем понятие «урожайность». Урожайность сельскохозяйственных культур при допустимом уровне механического воздействия на почву и при соблюдении агротехнических требований при проведении технологических операций определяется урожайностью районированных сортов по данным опытов госсортоучастков (ГСУ) - У„. В производственных условиях следует различать биологическую урожайность вне следов движителей на площади ^(площадь неуплотненных участков) - У\ и урожайность на поле по следам посевного МТА на площади 82 (площадь уплотненных участков) - У2. Фактическая урожайность по всему полю площадью 8-Уф (биологическая на корню) определяется как средневзвешенная урожайностей У1 и У2 по площадиЛ'по формуле:

£

Соотношение вышеназванных видов биологической урожайности на корню можно выразить следующим образом:

Уп

'и-

Для определения величины потерь в связи со снижением урожая из-за уплотнения почвы воспользуемся показателем уплотняющего воздействия на почву машинно-тракторного агрегата иг [4], рассчитываемым по формуле:

ит =

В1

п

-T.Uj+[u]-

(

1-

щ

\

2 В,

а у

2Ва Н

где В\ - ширина зоны влияния уплотняющего воздействия трактора на урожайность

сельскохозяйственных культур на поле, м;

Ва - ширина захвата машинно-тракторного агрегата, м;

п - общее число следов движителей, оставляемых трактором на поле;

и. - уплотняющее воздействие движителей трактора ву'-ом следе, при и . < [(/] в расчетах принимают £/ .= 0 (/' =1, 2, ... , п).

1) Для оценки эффективности сравниваемых технологий возделывания сельскохозяйственной культуры нами принят коэффициент реализации технологией потенциала сорта:

рпс

У'

где У^ - фактическая урожайность на корню по всему полю, т/га; У - потенциальная урожайность районированного сорта (по данным ГСУ), т/га.

2) Коэффициент снижения урожайности от уплотнения почвы показывает насколько уменьшился урожай от применения того или иного вида движителя (движителей) и определяется по следующей формуле:

Уг-АУ _УФ

куп ~

у1 Ух

{yl-y2)-s2

S

где АУ- величина потерь урожайности вследствие воздействия того или иного вида движителей ходовой системы на почву, т/га.

3) Коэффициент прироста урожайности от применения сидерата, навоза, минеральных удобрений показывает насколько увеличился урожай от применения того или иного вида улучшителя (мероприятия) и определяется по следующей формуле:

k

роста

У(, + АУ

U пр

У.

где У0 - урожайность без применения улучшителя (естественное плодородие почвы), т/га; АУпр - величина прироста урожайности от применения улучшителя, т/га.

4) При расчете ожидаемой урожайности используем эмпирическую зависимость относительной урожайности V (%) от уплотняющего воздействия МТА [4] в виде:

=100-А;

Тогда расчетная урожайность на корню на поле определится по формуле:

100

(

= Уг

1 -А-

иТ-[и\

100

5) Коэффициент эффективности организационно-технологических мероприятий в технологии (выбор типа ходовой системы и конструктивно-режимных параметров машины на её базе, маршрута движения агрегатов, совмещения операций и т.п.):

котн = ~~

п

Для энергетической оценки подсистемы «технология - почва - урожай (растение)» предлагаются коэффициенты эффективности:

1) коэффициент фактической энергетической эффективности технологии показывает соотношение фактической энергии, полученной с урожаем, к произведенным затратам на его получение и выражается формулой:

У, - О-С, с,

Уф-а

Уф-О,

где Сф - фактические удельные энергозатраты на производство продукции, МДж/га; <2 - энергоемкость 1 т продукта, МДж/т [6].

2) коэффициент эколого-энергетической эффективности, кроме соотношения фактической энергии, полученной с урожаем, к произведенным затратам на ее получение учитывает энергозатраты на проводимые экологические мероприятия, в том числе по восстановлению плодородия почвы и выражается по формуле:

^ЭЭФ = 1-

где Сэк -фактические энергозатраты на экологические мероприятия.

В этом виде достаточно легко судить об эффективности экологических мероприятий и их доли в получении продукции.

3) коэффициент энергетической эффективности организации возделывания сельскохозяйственной культуры (Нэп) позволяет контролировать эффективность произведенных энергозатрат на получение продукции, сравнивая фактические показатели с показателями, заложенными в технологическую карту, и выражается формулой:

где С - удельные энергозатраты на проведение операций по технологической карте, МДж/га.

Интерпретировать значения энергетического коэффициента технологии можно следующим образом: если Щэ< 1 - нарушен энергетический баланс в ходе реализации

Лэт

технологии возделывания и уборки культуры;

г(эт = 1 - фактические энергозатраты соответствуют планируемым, организационно-

технологические мероприятия энергоэффективны (С '„.;= 0);

Цэ> 1 - при прочих равных условиях дополнительные затраты энергии на проведение

эколого-защитных мероприятий дают дополнительный эффект прироста урожайности.

Следует учитывать, что вносимые в технологические карты и используемые, как исходные, данные для сравнительной оценки технологий должны быть получены идентичными методами применительно к одинаковым природно-производственным условиям [6].

Для комплексной качественной оценки технолого-технической системы выбраны следующие показатели:

1) степень деградации природных системы(Д$), которая оценивается через величину ущерба в стоимостном и энергетическом выражении. Величина ущерба может быть определена через величину затрат, необходимых на устранение деградации почвы и стоимости потерянной продукции. Энергетическое выражение степени деградации почвы более предпочтительно, чем стоимостное, так как энергия, являясь общей мерой движения материи, более универсальна, стабильна и более соответствует существу процесса;

2) показатель баланса природных ресурсов (Rs), который определяется по величине затрат, связанных с расходованием и восстановлением ресурсов в агроценозе;

3) продуктивность технолого-технической системы земледелия (Iis), показатель который оценивает природосообразную продуктивность агрофитоценоза.

Предпочтительность элементов к цели записывается выражением:

Ms>Rs>ns

Другими словами, достижение цели функционально-экологического совершенствования технолого-технических систем обеспечивается, прежде всего, исключением деградации, повышением качества функционирования системы, ресурсосбережением, природосообразной продуктивностью системы.

ВЫВОДЫ

Представленные методологические основы энергосбережения и экологической безопасности, позволяют вместо создания и совершенствования единичных технических средств и технологических приемов выйти на эффективное экологическое совершенствование системы машин и технологий, обеспечивающих возвратно-экологическое машинное земледелие.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кашбулгаянов P.A., Липкань A.B. Концепция оценки технологии с допустимой антропогенной нагрузкой // Актуальные проблемы в энергетике и агропромышленном комплексе: матер, всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Благовещенск, 10 апреля 2015). Благовещенск: Издательство Дальневосточного ГАУ, 2015. С. 84 - 90.

2. Кашбулгаянов P.A., Липкань A.B. Механизм учета уплотняющего воздействия машинно-тракторного агрегата на почву при экономической оценке перспективной технологии в растениеводстве // Дальневосточный аграрный вестник. 2015. № 1 (33). С. 2124.

3. Панасюк А.Н., Липкань A.B.,Кашбулгаянов P.A. Способы и приемы снижения

62

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства и животноводства_

энергетических затрат, связанных с уплотняющим воздействием ходовых систем в машинных технологиях растениеводства в условиях Амурской области // Повышение эффективности и экологические аспекты использования ресурсов в сельскохозяйственном производстве: сб. науч. докл. Междунар.науч. конф. (ФГБНУ ВНИИТиН, г. Тамбов, 6-7 октября 2016). Тамбов: Изд-во Першина Р.В., 2016. С. 89-91.

4.Ксеневич И.П., Скотников В.А., Ляско М.И. Ходовая система-почва-урожай. М.: Агропромиздат, 1985. 304 с.

5.Панасюк А.Н., Кашбулгаянов P.A., Липкань A.B. Методика оценки функционально-экологической эффективности движителей машин в зональных условиях // Итоги координации научно-исследовательских работ по сое за 2011-2014 годы: сб. науч. статей по матер, коорд. совещ. по сое зоны Дальнего Востока и Сибири с междунар. участием (Благовещенск, 9-10 сентября 2015 года). Благовещенск: ФГБНУ ВНИИ сои, ФГБНУ ДальНИИМЭСХ, 2015. С. 21-28.

6. Методика топливно-энергетической оценки производства продукции растениеводства. М.:ВИМ, 2012.

7. Хафизов К.А. Методика расчета МТА по критерию «Совокупные затраты» // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2006. №3. С. 46-51.

УДК 631.172

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЯГОВОЙ ПОЛЕВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ НА ОСНОВЕ ЭКОЛОГО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КРИТЕРИЕВ И ОЦЕНОЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ ВИРТУАЛЬНОГО МОБИЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СРЕДСТВА

АН. ПАНАСЮК, д-р техн. наук; P.A. КАШБУЛГАЯНОВ, канд. техн. наук; A.B. ЛИПКАНЬ ФГБНУ «Дальневосточный НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства», г. Благовещенск, Россия

В статье представлены новые методические подходы к оценке механического уплотняющего воздействия на почву и критерии экологической оценки, непосредственно характеризующие агрофильность движителей. Эффективность использования почвы в системе «движитель - почва -растение (урожай)» определяется отклонением ее характеристик, возникающим под воздействием движителей, от оптимальных значений. При разработке критериев эффективности виртуального мобильного энергетического средства исследовались технологические процессы возделывания сельскохозяйственных культур в условиях переувлажнения почв с максимальной реализацией тягово-сцепных и динамических свойств технических средств. В результате для совершенствования конструктивно-режимных параметров тяговой полевой энергетики сформулировано понятие виртуального мобильного энергосредства.

В качестве критериев эффективности для виртуального мобильного энергосредства приняты: безопасный предел уплотняющего воздействия; обеспечение проходимости; уровень предельного техногенного механического воздействия; реализация всего комплекса технологических операций; реализация номинального тягового и скоростного диапазона на всех видах полевых и транспортно-технологических работ; отсутствие потерь урожая от техногенного механического воздействия.

Для обоснования перспективных путей, способов и приемов повышения экологической эффективности мобильного энергосредства предложено определение значимости влияния каждого из