Оценка экологической устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве

ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

ТЕХНОЛОГИИ, МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ / TECHNOLOGIES, MACHINERY AND EQUIPMENT

EDN:

Развитие сельскохозяйственного производства должно быть направлено на повышение экологической устойчивости как агропромышленного комплекса в целом, так и отдельных его предприятий. Обеспечение экологически устойчивого производства сельскохозяйственной продукции, связанное с задачами экономического и социального благополучия, а также энерго-ресурсоснабжения отрасли представляет собой актуальную проблему.

Оценке устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве посвящены многочисленные труды отечественных и зарубежных ученых, обобщение результатов которых позволяет сформулировать понятия экологической устойчивости (или точности) и стабильности технологических процессов. С экологической точки зрения устойчивость может рассматриваться как способность процесса сохранять равновесие или постоянство его экологических показателей под нагрузкой и быстро восстанавливаться при ее снятии, а стабильность процессов характеризуется возможностью противостоять воздействиям внешних возмущающих факторов, т. е. беспрерывно (во времени) поддерживать устойчивость.

Устойчивость предприятия оценивается различными критериями, в число которых входят экономические, правовые, социальные, организационные, экологические, маркетинговые и качественные показатели. Многокритериальная оценка обеспечит устойчивое развитие предприятия в условиях экономической неопределенности [1].

Анализ опубликованных результатов исследований показывает, что усиление антропогенного воздействия технологий и технических средств приводит к нарушению устойчивости и стабильности агроэкосистем. При оценке экологической устойчивости и стабильности технологических процессов применяются различные подходы с использованием многочисленных показателей зачастую без обоснования их важности (или весомости) для конкретных зональных условий возделывания сельскохозяйственных культур. Отсутствует единый универсальный метод оценки устойчивости и стабильности технологических процессов.

Настоящее исследование помогает усовершенствовать теоретические основы и практические приемы оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве.

Цель исследования – разработать критерии и шкалу оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве.

Задачи исследования:

• 1)    анализ методов и показателей оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов, технологий производства сельскохозяйственной продукции;

• 2)    обоснование критериев устойчивости, стабильности и определение допустимых значений экологических показателей процессов;

• 3)    определение интегральных критериев оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов, обеспечивающих их эколого-экономическую эффективность и качество производимой продукции.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Устойчивое развитие агропромышленного комплекса основано на трех ключевых компонентах: окружающая среда, общество, экономика. Эти компоненты взаимодополняемы, что позволяет осуществлять управление физическим, природным и человеческим капиталом.

Основные индикаторы устойчивого развития региона: доля использованных и обезвреженных отходов, загрязненных сточных вод в общем объеме сбросов; интенсивность образования отходов и выбросов на единицу валового регионального продукта; площадь особо охраняемых природных территорий; использование расчетной лесосеки; объем инвестиций в охрану окружающей среды; истощение природного капитала [2].

При оценке экологической устойчивости сельских населенных мест необходим всесторонний учет экономических, социальных, технических и экологических аспектов на разных стадиях развития района, повышение значимости энергосбережения и внедрение элементов концепции « умный город » . При этом можно использовать экспертный и вероятностный методы оценки рисков и выявления значимых параметров. Система критериев оценки включает в себя архитектурно-планировочные (эффективность использования площади, энергоэффективная застройка, качество транспортных систем и др.), социально-экономические (социальная и коммерческая инфраструктуры, защита от шума, экономическая инфраструктура, трудовая занятость и др.), инженерно-технические (энергосбережение, материалоемкость, обращение с отходами и т.д.) и экологические (экологическая емкость, репродуктивная способность территории, биоразнообразие и др.) показатели [3].

Параметры устойчивости: площадь угодий, природная продуктивность пашни, неоднородность почвенного покрова, ландшафтные условия производства, сумма активных температур, содержание гумуса, запасы продуктивной влаги и др.1

При оценке экологической устойчивости окружающей среды в Волгоградской области применяются следующие критерии: загрязнение атмосферного воздуха и поверхности вод, использование земель, антропогенная нагрузка [4]. Степень экологической устойчивости районов ранжированы таким образом: устойчивые (0,94–1,00), относительно устойчивые (0,88–0,94), среднеустойчивые (0,65–0,88) и неустойчивые (0–0,65) [4].

При определении экологической устойчивости агроландшафтов рассматриваются два подхода: с применением интегрального показателя – коэффициента экологической стабилизации, а также с учетом оптимальной структуры угодий, теоретически установленной и проверенной на практике для каждой конкретной агроландшафтной зоны. Главным фактором, стабилизирующим экологическое состояние агроландшафтных территорий в пределах лесостепной зоны севера Приволжской возвышенности, предложено считать степень залесенности [5].

Разработана система показателей оценки экологической устойчивости сельских территорий, приведен пример формирования интенсивных машинных технологий производства животноводческой продукции для свиноводческого комплекса [6]. Предложенная система показателей позволяет определить состояние атмосферы и спрогнозировать его изменение.

В отрасли машиностроения при оценке стабильности механической обработки применяют коэффициент вариации v_x [7], представляющий собой отношен и е среднего кВадратического отклонения σ _x параметра x к его среднему значению x :

V

x

2 x x

.

При v_x ≤ 0,170 (высокая однородность параметра) v_x принадлежит интервалу 0,170–0,333 (удовлетворительная однородность параметра). Технологический процесс считается стабильным. При v_x > 0,333 (неоднородность параметра) технологический процесс считается нестабильным [7].

Экологическая оценка сельскохозяйственных земель в Казахстане, проведенная с применением геоинформационной системы-технологий и цифровых карт-схем, включила расчет коэффициентов стабильности и антропогенной нагрузки [8]. Полученные результаты свидетельствуют о нерациональном использовании земельного фонда и его высокой антропогенной нагрузке. При этом процессы эрозии и дефляции почвы, несбалансированность соотношения сельскохозяйственных угодий делают территорию экологически нестабильной.

Оценке технологической устойчивости сельскохозяйственных агрегатов посвящена работа ученых Санкт-Петербургского государственного аграрного университета [9]. Под технологической устойчивостью процесса ученые понимают вероятность P_n того, что время t функционирования процесса не превышает время Т_n :

' P, ( t ) = P {Л> I P J dop ; T n >  t j , ' где Т_n – время, когда оцениваемый показатель превышает допускаемый предел P ; P – относительная длительность нахождения оценочного показателя в по ^d л ^o е ^p заданного допуска.

Точность (или устойчивость) технологического процесса показывает, какая часть поля допускаемой зоны изменения оценочного показателя покрывается ее рассеянием. При этом коэффициент устойчивости (точности) процесса относительно номинального значения K_u определяется по формуле²:

K = — u   Xn где d – погрешность показателя процесса; Xn – номинальное значение параметра. Коэффициент устойчивости (точности) процесса относительно поля допуска определяется из выражения3:

Ku = D- ’ n

где о - среднее квадратическое отклонение показателя; D n - поле допуска показателя.

Коэффициент стабильности процесса характеризует постоянство распределения вероятностей его параметров в течение некоторого интервала времени без вмешательства извне⁴. Для определения коэффициента стабильности технологического процесса K_c используют формулу:

K    ^KP ⁽ 1 2 )

c    Kp (t1), где Kp (12) - показатель рассеяния за период времени 12; Kp (11) - показатель рассеяния за период времени t1.

Изучению процессов технологической устойчивости и устойчивого функционирования машинотракторных агрегатов (МТА) посвящены работы отечественных ученых [9; 10]. Предложена оценка энергетических свойств трактора при криволинейном движении по затрате работы на единицу пути – по величине удельных энергетических затрат E_ud , определяемых по формуле [10]:

E ud =

M -ф

где M - ведущий момент движителя, Н м; ф - угол поворота движителя в окружном направлении на пройденном пути S (м), рад.

Выявлено, что наиболее эффективными критериями для оценки управляемости и устойчивости МТА являются следующие: удельные энергетические затраты на совершение поворота E_ud и максимальные ширина X _max и высота Y _max поворотной полосы [10].

Повышение устойчивости технологических процессов является актуальной задачей и в сфере возделывания сельскохозяйственных культур. В настоящее время накоплен богатый фактический материал, свидетельствующий о том, что уровень видового разнообразия микробного сообщества почвы можно рассматривать в качестве одного из наиболее важных критериев устойчивости основных экологических функций почвы. В качестве эталона устойчивой почвенной системы взята целинная дерново-подзолистая почва под лесом, отличающаяся максимальными показателями гумусированности и хорошо выраженной зернистокомковатой структурой [11].

Алтайскими учеными изложены результаты исследований по оценке землепользования в аграрном секторе Алтайского края как основы повышения его устойчивости. Дана оценка природно-ресурсному потенциалу и экологическому состоянию территории. Выявлено, что особенности ландшафтов и ресурсный потенциал исследуемой территории неустойчивы, а аграрное землепользование должно базироваться на системе почвозащитных мероприятий, направленных на уменьшение эрозионных процессов (дефляция), почти повсеместно проявляющихся на сельскохозяйственных угодьях [12].

Оценка развития аграрного производства за последние 15 лет в Белгородской области показала положительные сдвиги и повышение его устойчивости. Устойчивое развитие региона предполагает комплексный подход в использовании всех ресурсов и повышение устойчивости развития каждого предприятия в отдельности. Устойчивость должна оцениваться не итогами отдельных лет, а динамикой развития за длительный отрезок времени, процессами воспроизводства ресурсов и финансовыми результатами [13].

В качестве системы показателей оценки устойчивости сельских территорий предлагается рассматривать5:

• – показатели экономической стабильности развития сельских территорий (наличие ресурсов, уровень развития производственной инфраструктуры, состояние сельскохозяйственных рынков, финансово-инвестиционная устойчивость и др.);

• - социальные показатели сельского развития, отражающие состояние демографии, доходов, образования, здравоохранения, культуры, безопасности в границах сельских территорий;

• – показатели оценки экологического статуса сельской местности, касающиеся состояния атмосферы, земельных и водных ресурсов, биоразнообразия и др.;

  – показатели уровня благоприятности институциональной среды (институциональная устойчивость, безопасность, привлекательность и др.).

Л. В. Кирейчевой представлено обоснование мелиорации как приема повышения продуктивности и устойчивости сельскохозяйственного производства. Для этого выполнена оценка энергетического состояния агроэкосистемы и возможного продукционного потенциала при проведении мелиораций. В качестве основных критериальных параметров, определяющих энергетическое состояние системы, предложены: радиационный баланс, гидротермический режим почвы, агрохимические показатели, содержание и состав почвенного гумуса [14].

Оценке устойчивости агроэкосистемы на примере различных регионов страны посвящены работы отечественных ученых6 [15]. Так, в качестве основного

^® ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ Том 35, № 4. 2025 интегрального показателя оценки устойчивости сельских территорий предлагается использовать эффективность применения питательных веществ на разных уровнях организации пространства [16]. Учеными установлено, что при увеличении в агросерой почве органического вещества улучшается экологическая функция: больше адсорбируется цинка и меди, что следует рассматривать как важный фактор устойчивости почвы и агроэкосистемы к загрязнению [17].

Большое количество исследований посвящены вопросу обеспечения финансовой устойчивости предприятий [18], инвестиционных процессов [19], обоснованию микробиологических критериев экологической устойчивости почв7, критериев оценки устойчивости и эффективности региональных агро-продовольственных систем и др. С помощью нечетко-возможностного метода была синтезирована нечетко-возможностная модель оценки экологической устойчивости свиноводческих комплексов в количественном выражении, позволяющая сравнить состояние предприятий в исследуемый момент времени. Полученная модель может использоваться для поддержки принятия решений планирования, прогнозирования и выбора сценариев модернизации конкретных сельхозпредприятий [20].

Современное интенсивное сельское хозяйство представляет серьезную опасность для природы, поскольку приводит к утрате биоразнообразия, чрезвычайно высокому потреблению воды, способствует изменению климата из-за выбросов парниковых газов, значительно нарушает круговорот азота и фосфатов (N, P), ведет к нерациональному использованию азотных и фосфорных удобрений и ускоряет процессы эвтрофикации [21; 22]. Безопасность производимой продукции также ставится под угрозу.

Имеющиеся стандарты и методики по оценке устойчивости агросистем определяют приоритет экологических, социальных и экономических показателей. При этом существует значительный дисбаланс между экологической, социальной и экономической устойчивостью, но в большинстве оценок преобладающим показателем выступает экологическая устойчивость [23].

Как правило, устойчивость сельскохозяйственных систем оценивается с помощью индикаторов, которые являются аналитическими переменными, описывающими сложные системы. Каждый индикатор касается одного аспекта устойчивости (например, питательных веществ, пестицидов, энергии и др.), поэтому результат полной оценки обычно включает несколько значений индикатора. Эти значения часто рассчитываются отдельно, в то время как комплексная оценка более эффективна, так как позволяет получить результаты расчета сразу по ряду ключевых показателей устойчивости. Такой подход способствует прозрачной, надежной и количественной оценке устойчивости сельскохозяйственных систем. При необходимости его можно легко расширить, добавив другие показатели, и настроить, изменив пороговые значения и весовые коэффициенты показателей оценки [24].

В разных системах оценки устойчивости предлагается большое количество показателей, что вызывает сомнения в обоснованности подходов и их полезности. Выбор показателей требует прозрачных и четко сформулированных процедур, обеспечивающих актуальность и обоснованность оценок устойчивости. Чтобы повысить прозрачность, актуальность и надежность оценок устойчивости, необходимо учитывать контекст оценки устойчивости, в том числе приоритетность критериев отбора показателей. Процесс разработки показателей и систем устойчивого развития может быть гораздо более важным фактором, определяющим их успех, чем окончательная форма инструментов оценки [25].

В основном исследователи склоняются к проведению комплексной оценки устойчивости и рассматривают совокупность критериев устойчивого развития, принимая во внимание прежде всего экологический (оценка качества почвы, эффективность использования энергии, управление отходами и их утилизация, видовое разнообразие), экономический (извлечение прибыли, стабильность производства) и социальный (качество жизни, развитие потенциала, условия занятости) показатели [26; 27].

В каждом отдельном случае следует исходить из неизбежности нахождения компромиссов между различными аспектами устойчивого развития, например, при оценке продовольственной системы [28] или агросистемы в целом. Решение таких задач проводится поэтапно: 1) анализ критериев, соответствующих индикаторам оценки, 2) обоснование эффективности оценки устойчивости для каждой категории показателей, 3) сравнение весомости той или иной категории показателей [29].

Социальная устойчивость при оценке агроэкосистемы или отдельно взятого сельскохозяйственного предприятия имеет немаловажное значение, поскольку наряду с экологическими и экономическими требованиями способствует обеспечению высокого уровня и качества жизни сельского населения [30].

Так, в ходе исследования с участием более 3 600 потребителей из шести стран (Бразилии, Китая, Индии, Мексики, Испании, США) производства продуктов питания на основе принципов устойчивости в сельском хозяйстве выяснилось, что большинство покупателей не до конца осознают важность устойчивого развития. Потребители склонны ассоциировать устойчивое сельскохозяйственное производство только с органическим сельским хозяйством и более высоким качеством продукции [31].

Для решения проблем устойчивости сельскохозяйственного производства в мире необходимы новые подходы в виде инициативных проектов, которые на основании определения показателей оценки как инструмента сертификации способствовали бы реализации концепции экологической устойчивости в растениеводстве. Примером такого решения может служить проект AGRiS, реализованный как пилотный в Неаполе (Италия) и включающий в себя методы устойчивого производства сельскохозяйственных культур, способствующие сохранению биоразнообразия (севооборот и смешанные посевы, внесение компоста в качестве удобрения, использование перерабатываемых субстратов, биологических средств защиты с вредителями) [32].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В связи с актуальностью проблемы повышения эффективности производства сельскохозяйственной продукции интенсивно развиваются новые методы, связанные с обеспечением устойчивости и стабильности агроэкосистемы и экологической безопасности технологий и технических средств в растениеводстве.

Объекты исследования

Агроэкосистема, ее компоненты, технологии производства сельскохозяйственной продукции, опубликованные результаты исследований по оценке устойчивости агроэкосистемы стали объектами настоящего исследования.

Агроэкосистема состоит из экономического, экологического, энергетического и социального компонентов. Устойчивость и стабильность агроэкосистемы зависит от соблюдения требований, отвечающим данным компонентам. Наиболее значимые параметры и показатели всех составляющих агроэкосистемы должны быть оптимизированы. Сбалансированный комплекс экономических, экологических, энергетических и социальных показателей оценки уточняет состояние агроэкологической системы и с помощью определенных индикаторов регулирует и обеспечивает ее устойчивость и стабильность.

В настоящем исследовании подробно рассмотрены вопросы оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве, тесно связанные с одним из компонентов агроэкосистемы – обеспечением экологической устойчивости.

Методы

Методика исследования опирается на анализ и обобщение опубликованных работ. Авторами был использован метод статистического моделирования процессов, который позволяет выявить их закономерность, определить и обоснованно выбрать весомые факторы, влияющие на устойчивость и стабильность технологических процессов.

Анализ литературы показал, что не существует общей универсальной методики комплексной оценки устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве, обладающей достаточной четкостью и наглядностью. В этой связи авторы в рамках настоящей работы решили восполнить этот пробел.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В связи с множеством показателей оценки экологической безопасности технологических процессов и технических средств в растениеводстве при оценке их устойчивости целесообразно использовать интегральный критерий, учитывающий единичные показатели с учетом их весомых значений. Только при таком подходе возможна объективная оценка экологической устойчивости технологических процессов, технологий производства сельскохозяйственной продукции и агроэкосистемы в целом.

Основная цель оценки устойчивости технологических процессов – обоснование критериев устойчивости и определение критических значений экологических показателей, в пределах которых обеспечивается эколого-экономическая эффективность и качество конечной производимой продукции в агроэкосистеме.

Интегральный критерий оценки экологической устойчивости технологических процессов должен формировать запас устойчивости, в пределах которого технические средства будут функционировать надежно, не выходя из устойчивого режима.

Интегральный критерий оценки экологической устойчивости технологических процессов Q_i в общем случае можно выразить формулой:

n

Q i = Y K i Z i ,                            (2)

i-I где Ki – частный критерий оценки экологической устойчивости технологических процессов; Zi – коэффициент весомости частного критерия оценки экологической устойчивости технологических процессов, который отражает относительную значимость или важность конкретного фактора или показателя по сравнению с другими; n – число частных критериев оценки технологических процессов.

Формула (2) позволяет определить интегральный критерий оценки экологической устойчивости с учетом различных критических показателей, оказывающих деградационное воздействие технологических процессов на агроэкосистему.

Группа частных экологических критериев (показателей) описывает ограничения, накладываемые на технологический процесс. Применительно к комплексу технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву нами ранее были обоснованы и выбраны наиболее весомые показатели:

– давление движителей на почву ( D_d , МПа);

– буксование движителей энергетического средства ( B_d , %);

– доза внесения жидких органических удобрений ( D_u , т/га);

– неравномерность внесения жидких органических удобрений ( K_u , %);

– выбросы вредных веществ двигателями при сжигании топлива ( B_b , г/га);

– выбросы аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений (BH, мг/м3).

С учетом данных показателей и выражения (2), применительно к оценке экологической устойчивости технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений, интегральный критерий оценки их экологической устойчивости можно записать в виде:

Kou = KDd^. ZD) + Kbd . ZBК (KDu . ZD) + u  ui   uiui

+(kk • zKu)+{кВь • zBb)+ KBNH3 • zBmA,(3)

u i                   u iu i где KuDd – частный критерий оценки устойчивости давления движителей на почву; KuBd – частный критерий оценки устойчивости буксования энергетического средства; KuDu – частный критерий оценки устойчивости дозы внесения жидких органических удобрений; KuKu – частный критерий оценки устойчивости неравномерности внесения жидких органических удобрений; KuBb – частный критерий оценки устойчивости выбросов вредных веществ двигателями при сжигании топлива; KuBNH3 – частный критерий оценки устойчивости выбросов аммиака с поверхности Technologies, machinery and equipment                                                    733

поля после внесения жидких органических удобрений; Z ^ d - коэффициент весомости давления движителей на почву; Z_i ^Bd – коэффициент весомости буксования движителей энергетического средства; Z_i ^Du – коэффициент весомости дозы внесения жидких органических удобрений; ZK“ - коэффициент весомости неравномерности внесения жидких органических удобрений; Z _i ^Bb – коэффициент весомости выброса вредных веществ двигателями при сжигании топлива; Z i NH ³ - коэффициент весомости выбросов аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений.

Весомость показателей экологической оценки была определена от степени их влияния на плодородие почвы, диффузную нагрузку и выброс парниковых газов.

Частный критерий оценки устойчивости давления движителей на почву K_u ^Dd можно определить из выражения:

K u^Du

D d

—

D d^f

D

где D* _d - допустимое значение давления движителей на почву, МПа; D ^ - фактическое среднее значение давления движителей на почву, МПа.

Частный критерий оценки устойчивости буксования энергетического средства K_u ^Bd можно вычислить из зависимости:

K^BB =

B d - в ^

B d

,

где B_d - допустимое (оптимальное) значение буксования движителей энергетического средства, %; B_d ^f – фактическое среднее значение буксования движителей энергетического средства, %.

Частный критерий оценки устойчивости дозы внесения жидких органических удобрений K_u ^Du определяется из равенства:

KuDu

D *

u

—

Duf

D *

u

где D*_u - оптимальная доза внесения жидких органических удобрений, т/га; D_u ^f – фактическое среднее значение дозы внесения жидких органических удобрений, т/га.

Частный критерий оценки устойчивости неравномерности внесения жидких органических удобрений K_u ^Ku определяется из выражения:

K u^Ku

K *

u

- K u

K

где K_u – оптимальное (допустимое) значение коэффициента неравномерности внесения жидких органических удобрений, %; K U - фактическое среднее значение коэффициента неравномерности внесения жидких органических удобрений.

Частный критерий оценки устойчивости выбросов вредных веществ двигателями при сжигании топлива K_u ^Bb можно определить так:

KuBb

B b

—

Bbf

B b

,

где B*_b - допустимое значение выброса вредных веществ двигателями при сжигании топлива, г/га; B_b ^f – фактическое среднее значение выброса вредных веществ

двигателями при сжигании топлива, г/га.

Частный критерий оценки устойчивости выброса аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений K_u ^{BNH 3} вычисляется из выражения:

K^BNH 3

^BNH ₃   ^BNH ₃

b N н з

где B*NH - допустимое значение выброса аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений, мг/м³; B_N ^f _H – фактическое среднее значение выбросов аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений, мг/м³.

Коэффициент весомости ZDdd, ZDdd, ZDdd, ZB, ZB и ZfNH3 показателей оценки экологической безопасности технологических процессов можно определить расчетно-эмпирическим методом. Достоинство расчетно-эмпирического метода состоит в объективности, сопоставимости и воспроизводимости полученных результатов оценки.

Коэффициент весомости показателей оценки экологической безопасности технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву Z i при использовании расчетно-эмпирического метода определяется по формуле:

„     А г.

^Zi ⁼ “  ¹  ,

1АгП где ∆x – среднее значение отклонения конкретного показателя от оптимального in

%; ^ А г n - сумма отклонений всех показателей

или допускаемого диапазона, оценки, %.

Среднее значение отклонения конкретного показателя от оптимального (допускаемого диапазона) ∆ x_i можно вычислить из выражения:

А Х ; =

•100%, где xif – фактическое значение показателя оценки экологической безопасности, установленное экспериментально; xi – оптимальное (допускаемое) значение показателя оценки экологической безопасности.

В формулах (4)–(9) допустимый диапазон изменения значения (табл. 1) показателей оценки экологической безопасности технологических процессов

D * , В* , D* , К* , В*, и в* регламентируются соответствующими норматив- d d u u b      NH 3

ными документами.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Допустимые значения показателей оценки экологической устойчивости технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву

Acceptable values of indicators for assessing the environmental sustainability of technological processes for transporting and applying liquid organic fertilizers to the soil

№ Наименование показателей / Name of indicators Обозначение / Designation Допустимое значение / Acceptable value 1 2 3 4 1 Давление движителей на почву / Pressure of propellers on the ground Dd, МПа / MPa Не более 80-110 МПа (или 0,8-1,1 кг/см2)8 / No more than 80–110 MPa (or 0.8–1.1 kg/cm2) 2 Буксование движителей энергетического средства / Slippage of the propulsion units of the power vehicle Bd , % Движителей гусеничных и колесных тракторов с двумя и четырьмя ведущими колесами9 должно быть не более 3, 14 и 16 % соответственно / The number of crawler and wheeled tractors with two and four driving wheels1 should not exceed 3, 14 and 16%, respectively. 3 Доза внесения жидких органических удобрений / Application rate of liquid organic fertilizers Du , т/га / t/ha Устанавливается агрохимической службой10 / It is established by the agrochemical service 4 Неравномерность внесения жидких органических удобрений / Uneven application of liquid organic fertilizers Ku , % Неравномерность высева удобрений11 или их смесей не должна превышать ±15 %, а для разбрасывателей ±25 % (по ширине внесения) и ±10 % по ходу движения машинотракторного агрегата. Отклонение от средней фактической дозы внесения удобрений не должно выходить за пределы ±10 % / Unevenness in the seeding of fertilizers or their mixtures should not exceed ±15%, and for spreaders ±25% (along the application width) and ±10% along the direction of travel of the machine-tractor unit. Deviation from the average actual dose of fertilizer application should not exceed ±10%. 5 Выбросы вредных веществ двигателями при сжигании топлива / Emissions of harm- Bb, г/га / g/ha ≤ 57 г при сгорании 1 кг дизельного топлива12 / ≤ 57 g when burning 1 kg of diesel fuel ful substances from engines when burning fuel

12   3

Окончание табл. 1 / End table 1

6 Выбросы аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений / Ammonia emissions from the field surface after application of liquid organic fertilizers

B _{NH 3} , мг/м³ / mg/m³

При длительном нахождении аммиака в воздухе концентрация для сельскохозяйственных культур не должна превышать 75 мкг/м3 (или 0,075 мг/м3), а при продолжительности воздействия не более суток – 350 мкг/м3 (или 0,350 мг/м3) [33] / If ammonia is present in the air for a long time, the concentration for agricultural crops should not exceed 75 μg/m3 (or 0.075 mg/m3), and if the duration of exposure is no more than 24 hours - 350 pg/m3 (or 0.350 mg/m3) [33 ]

С использованием выражений (3)-(9) и таблицы 1 были определены значения частных и интегрального критериев оценки экологической устойчивости технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву (табл. 2).

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Результаты расчета коэффициента весомости показателей и интегрального критерия оценки экологической устойчивости технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву расчетно-эмпирическим методом Results of calculating the weighting coefficient of indicators and the integral criterion for assessing the environmental sustainability of technological processes for transporting and applying liquid organic fertilizers to the soil using the calculation-empirical method

Значение показателя / Value of the indicator	Dd , МПа (кг/см2) / MPa (kg/cm2)	Bd , %	D , u т/га / t/ha	Ku , %	B b , г/га / g/ha	B NH 3 , мкг/м3 / μg/m3
Оптимальное значение или допустимый диапазон изменения / Optimal value or acceptable range of variation	100	14	2	±25	57^6 = = 342 г / g	≤ 350
Фактическое значение / Actual value	110	16	2	±26	400	400
∆ x i	10	2	0	1	58	50
∆ xi , %	10	14,2900	0	4	16,960	14,2800
n S a x n , о% 1				59,5300
Z i	0,1680	0,2400	0	0,0670	0,2850	0,2400
Z Z i				1
Значения частных критериев / Values of private criteria
Значения Ki / Values Ki	0,1000	0,1430	0	0,0400	0,1700	0,1430
KZ ii	0,0168	0,0343	0	0,0026	0,0484	0,0343
Значение (интегрального) обобщенного критерия оценки устойчивости технологических процессов / The value of the (integral) generalized criterion for assessing the stability of technological processes			K o = 0,136

Интегральный критерий оценки устойчивости зависит от того, насколько велика доля показателей экологической оценки, для которых показатели качества технологического процесса находятся в поле допуска.

Интегральный критерий оценки устойчивости характеризует уровень настройки технологического процесса. Интегральный критерий устойчивости характеризует различие между фактическим и оптимальным уровнем настройки процесса. Чем ближе интегральный критерий устойчивости к нулю, тем ближе уровень настройки технологического процесса к оптимальному.

Интегральный критерий оценки устойчивости позволяет оценить стабильность технологического процесса. При К0^и = 0 технологический процесс считается экологически устойчивым, так как все показатели оценки его экологической безопасности находятся в пределах допустимых значений.

Из-за вероятностного характера внешних возмущающих воздействий, таких как рельеф местности, профиль поверхности поля, влажность, твердость почвы, глубина обработки почвы и др., показатели оценки технологических процессов не остаются постоянными и колеблются в широких пределах. Из этого следует, что на практике технологические процессы не могут быть все время устойчивыми на 100 %, т. е. К ™ ^ 0 .

Установленный K_u ^ou должен быть достаточным для обеспечения нормального протекания технологических процессов, без ухудшения показателей оценки их экономической, технологической, энергетической и экологической эффективности.

Анализ литературы показал, что при ранжировании авторы используют одну из характеристик рассеяния оценочных показателей оценки процессов, входящих в критерий K_u ^ou . При случайном характере изменения параметров и показателей наиболее наглядной характеристикой их рассеяния является коэффициент их вариации v_x , которая определяется отношением среднего кВадра т ического отклонения σ _x параметра (или показателя) к его среднему значению x [7].

В зависимости от характера изменения параметров и показателей их отклонение от заданного значения может быть односторонним или двухсторонним. Исследуемым нами показателям (табл. 2) характерно одностороннее изменение. Так как рассматриваемые показатели вероятностные, дифференциация интегрального критерия оценки устойчивости K_u ^ou должна произвестись по мере его рассеяния.

Дифференциация позволяет разработать шкалу оценки и ранжировать технологические процессы по степени их экологической устойчивости. В математической статистике принято считать, что если мера рассеяния показателя (или параметра) < 0,1 (или 10 %), то его разброс считается незначительным. Если мера рассеяния показателя изменяется от 0,1 до 0,2, то его разброс относительно заданного значения считается средним. При мере рассеяния показателя от 0,2 до 0,3 степень рассеяния считается значительной.

С учетом сказанного и формул (3)–(10) диапазоны изменения интегрального критерия, в том числе и частных критериев, можно дифференцировать следующим образом (табл. 3).

Т а б л и ц а 3

T a b l e 3

Шкала оценки технологических процессов по значениям интегрального критерия оценки K _u ^ou их экологической устойчивости

Scale for assessing technological processes based on the values K _u ^ou of the integral criterion for assessing their environmental sustainability

Класс экологической устойчивости / Environmental sustainability class	Значения критерия Kuou / Criterion value Kuou	Степень экологической устойчивости технологического процесса / The degree of environmental sustainability of the technological process
I	0–0,111	Устойчивый / Stable
II	0,112–0,222	Среднеустойчивый / Medium-resistant
III	0,223–0,333	Неустойчивый / Unstable
IV	> 0,333	Высокая энтропия / High entropy

Результаты расчетов частных и интегральных критериев оценки, полученные расчетно-эмпирическим методом (табл. 2), показывают, что технологические процессы транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву являются экологически среднеустойчивыми, так как К⁰" = 0,136.

При изменении значения критерия KU^U в пределах от 0,222 до 0,333 технологический процесс является неустойчивым, так как при этом наблюдается значительное отклонение показателей оценки от допустимых их значений.

При K o >  0,333 наблюдается высокая энтропия, что является закономерным результатом отсутствия согласованности в выполнении технологических процессов, порядка и точности их выполнения. Это в конечном итоге приводит к разрушению технологии.

Стабильность технологического процесса – это свойство сохранять во времени постоянство характеристик распределения показателей экологической оценки.

В соответствии с ОКСТУ 0016 Р 50-601-20-91 и ГОСТ Р 50779.44-200113 результатом оценки стабильности должно быть одно из следующих состояний процесса:

– стабилен и по разбросу и по положению среднего арифметического;

• - стабилен по разбросу, но нестабилен по положению среднего арифметического;

• – нестабилен по разбросу.

Стабильность технологического процесса предлагаем оценить по критерию 5 ^тр , который определяется по значениям степени неравномерности экологических показателей оценки процесса в зависимости от времени их измерения, по формуле:

_{5 TP=}^2)+^)^^

st     8 Dd (t1) + 5 Bd (t1) + 5 Du (to + 5 Ku (tO + 5 Bb (to + 8 Bnh3( to ’ где 5Dd (ti) =

D>^ О - D™(t^

D d ( t i )

- степень неравномерности давления движите

лей трактора на почву за период времени 1 1 ; 5 B ^ ( tO =

BT( d) - Br( О _ ------------------- - сте-

B d (О

пень неравномерности буксования движителей трактора за период времени t ₁;

8 D e ( t 1 ) =

D TOJ- D U mnW

D S (О

- степень неравномерности дозы внесения органиче-

ских удобрений в почву за период времени 1 1 ; 5 K ( t 1 ) =

кt ) - K ™( t ) ^uu – степень

K^p ( t j

неравномерности коэффициента стабильности внесения жидких органических

удобрений за период времени 1 1 ; 5 B^ ( t 1 ) =

ВГ( Q - ВГ( Q

B d (О

- степень неравномер-

ности вредных веществ двигателями при сжигании топлива за период времени t ₁;

B max ( t 1 ) - B m™ ( t 1 )

g B ( t 1 ) — —NH3-------NH3 --- - степень неравномерности выбросов аммиака

NH ₃

B_{B NH 3} ( t ₁ )

с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений за период

времени 1 1 ; 5 D ( 1 ₂ ) =

D Q 1 ₂ ) - D ^( 1 2 )

D d ( 1 2 )

– степень неравномерности давления

движителей трактора на почву за период времени 1 ₂; 5 B^ ( 1 ₂ ) =

BTSh^BTShl

B d ( t 2 )

степень неравномерности буксования движителей трактора за период времени t ₂;

. _{( t} ) ₌ DTSh^Drit^ D u ²           D S ( 1 2 )

- степень неравномерности дозы внесения органиче-

ских удобрений в почву за период времени t ; 8 K ( 1 ₂ ) = u

к Г( 1 ₂ ) - ^ 7( 1 ₂ )

---------------------- сте-

K d ( 1 2 )

пень неравномерности коэффициента стабильности внесения жидких органи- в_ъ “Ч t₂ ) - в_ь min e t₂ )

ческих удобрений за период времени t ; о_в ( t₂ ) =----------------- - степень

² Bb' ²             b s ( 1 ₂ )

неравномерности вредных веществ двигателями при сжигании топлива за период

B mx ( 1 2 ) - B m” ( 1 2 )

времени 1 ₂; 5 B ( 1 2 ) = ———sp—;—NH3 --степень неравномерности выбросов

B B^sp_{NH 3} ( t 2 )

NH ₃

аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений за период времени 12; D^ (t)) - максимальное значение давления движителей на почву за период времени 11; Dd™ (t1) - минимальное значение давления движителей на почвы за период времени 11; Dsdp (t1) - среднее значение давления движителей 740 Технологии, машины и оборудование на почвы за период времени 11; Bd™(t1) - максимальное значение буксования движителей трактора за период времени 11; Bdm( t1) - минимальное значение буксования движителей трактора за период времени 11; Bf (t1) - среднее значение буксования движителей трактора за период времени 11; D™* (1) - максимальное значение дозы внесения органических удобрений в почву за период времени t1; Сш( о – минимальное значение дозы внесения органических удобрений в почву за период времени 11; Ds (t1) - среднее значение дозы внесения органических удобрений в почву за период времени 11; KU^^t1) - максимальное значение степени неравномерности коэффициента стабильности внесения жидких органиче- ских удобрений за период времени 11; K^™ (t1) - минимальное значение степени неравномерности коэффициента стабильности внесения жидких органических удобрений за период времени 11; Ksup (t1) - среднее значение степени неравномерности коэффициента стабильности внесения жидких органических удобрений за период времени 11; Bf™ (t1) - максимальное значение выброса вредных веществ двигателями при сжигании топлива за период времени 11; Bf™ (t1) - минимальное значение выброса вредных веществ двигателями при сжигании топлива за период времени 11; B^ (t1) - среднее значение выброса вредных веществ двигателями при сжигании топлива за период времени t1; BBmax (t1) – максимальное значение выбросов аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений за период времени t1; BBmin (t1) – минимальное значение выбросов аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений за период времени 11; BsspNH (tj) - среднее значение выбросов аммиака с поверхности поля после внесения жидких органических удобрений за период времени 11; Dm* (t2),

D max         max         max         max         max

Bd  (t2) , Du  (t2), Ku  (t2) , Bb  (t2), BBNH3(t2) - соответственно максималь ные значения исследуемых показателей за период времени 12; Dd™ (12), Bd™ (12),

Dr( 1 2 ) , c^m( 1 ₂ ) , в г( 1 2 ) , b b n n 3 ( 1 2 )

– соответственно минимальные значения исследуемых показателей за период времени 12; Dsf (12) , B^ (12), DUsp (12) , KUsp (12),

BS (Л ), BS (t^) - соответственно средние значения исследуемых показателей b 22     BNH3 2/ за период времени t2.

Результаты расчета критерия ZiDd и оценки стабильности технологиче- ского процесса внесения жидких органических удобрений в почву приведены в таблице 4.

Т а б л и ц а 4

T a b l e 4

s -я , ° N £

о

of

st

Результаты расчетов частных и интегральных критериев оценки, полученные расчетно-эмпирическим методом (табл. 2), показывают, что технологические процессы транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву являются экологически среднеустойчивыми, так как КО" = 0,136.

При изменении значения критерия K_u ^ou в пределах от 0,222 до 0,333 технологический процесс является неустойчивым, так как при этом наблюдается значительное отклонение показателей оценки от допустимых их значений.

При K o >  0,333 наблюдается высокая энтропия, т. е. отсутствие согласованности в выполнении технологических процессов, порядка и точности их выполнения, что в конечном итоге приводит к разрушению технологии.

ОБСУЖДЕНИЕ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что в своем большинстве существующие антропогенные воздействия в растениеводстве несут в себе отрицательное влияние на окружающую среду, при этом имеют целенаправленный характер, т. е. осуществляются сознательно для повышения эффективности отрасли. В частности, это приводит к снижению устойчивости и стабильности технологических процессов агротехнологий и агроэкосистемы при производстве сельскохозяйственной продукции.

В настоящее время практически невозможно произвести оценку процессов по уровню их неблагоприятного влияния на среду на основе существующих методов, не учитывающих номенклатуру обоснованных показателей, зональные требования и условия возделывания культур. В этом случае появляется необходимость применения комплексного подхода, который позволит учесть и рассчитать наиболее весомые показатели устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве на основе предложенных критериев, и в ближайшем будущем использовать их в качестве базиса при разработке алгоритмов и цифровых технологий принятия решений для повышения экологической безопасности агросистемы.

Изложенный в статье подход, порядок расчета и оценки экологической устойчивости и стабильности технологических процессов позволяет выработать управленческие решения, направленные на гармоничное эколого-экономико-социальное развитие региона.

Разработан и предложен интегральный критерий оценки экологической устойчивости технологических процессов, который должен формировать запас устойчивости, в пределах которого технологические процессы и соответствующие технические средства будут функционировать надежно, не выходя из устойчивого режима.

Интегральный критерий оценки включает в себя частные критерии, каждый из которых в отдельности позволяет оценить устойчивость определенного экологического показателя оценки процесса.

Применительно к комплексу технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву выбраны наиболее весомые показатели, такие как буксование и давление движителей на почву, доза и неравномерность внесения удобрений, выбросы вредных веществ двигателями при сжигании топлива и аммиака с поверхности поля после внесения удобрений.

Приведены результаты расчета коэффициента весомости показателей и интегрального критерия оценки экологической устойчивости технологических процессов транспортировки и внесения жидких органических удобрений в почву.

Обоснована шкала оценки технологических процессов по значениям интегрального критерия оценки их экологической устойчивости. Согласно предложенной шкале технологические процессы подразделены на устойчивые, среднеустойчивые, неустойчивые и с высокой энтропией (отсутствие согласованности, порядка и точности выполнения).

Для оценки стабильности технологических процессов разработан обобщенный критерий, который определяется по значениям степени неравномерности изменения показателей экологической оценки процессов в зависимости от времени их измерения.

Предложенный подход для определения интегрального критерия оценки экологической устойчивости (3) и стабильности (10) можно использовать при оценке других технологических процессов. При этом показатели оценки экологической устойчивости и стабильности могут быть другими и должны быть научно обоснованы.

Представленную методику в дальнейшем можно использовать при разработке компьютерной программы для автоматизации расчета и оценки устойчивости и стабильности технологических процессов в растениеводстве.