Застосування системного аналізу в ландшафтних меліораціях

До складних проблем, які слід вирішувати за допомогою ландшафтних меліорацій, можливо віднести зростаючий дефіцит водних ресурсів, погіршення якості води, в першу чергу зрошувальної, погіршення екологічного стану агроландшафтів, вторинне засолення і осолонцювання ґрунтів, підтоплення зрошуваної та прилеглої до неї території, деградація ґрунтів і, як наслідок, зниження їх родючості, технічне "старіння" зрошувальних і дренажних систем тощо.

При вирішенні вищеперелічених складних і взаємозв'язаних проблем при комплексній меліорації ландшафту основною методологією є системний аналіз,який передбачає відповідну послідовність взаємозв’язаних операцій, що, в загальному вигляді складається з 3-х етапів: 1 - виявлення і визначення проблеми; 2 - розробка методів і способів її вирішення та 3 - реалізація цього рішення (проекту).

При вирішенні задач управління природно-технічними ландшафтами можливо використовувати методологічний підхід, запропонований А.Г. Маміконовим (1981), який виділяє три основних етапи: 1 - постановку задачі; 2 - структуризацію системи; 3 - побудову і дослідження моделі [117].

В сільськогосподарських гідротехнічних меліораціях, в тому числі і ландшафтних, можливе також застосування підходу, який запропонував для екології Дж. Джефферс [119], він виділив сім етапів системного аналізу:

1 - вибір проблеми;

2 - постановка задачі;

3 - обмеження ступеня складності задачі;

4 - встановлення ієрархії цілей і задач;

5 - вибір шляхів рішення задач моделювання;

6 - оцінка можливих стратегій;

7 - впровадження результатів.

Для вирішення задач управління водними ресурсами, які відіграють найважливішу роль в сільськогосподарських меліораціях, Н.Ф. Бончковський (1976) виділив 5 основних етапів системного аналізу [ 120 ]:

1 - визначення сукупності об’єктів, що складають систему та їх параметрів;

2 - формуліровка цілі функціонування системи і локальних цілей її підсистем, які складають її;

3 - виявлення сукупності меліоративних заходів, спрямованих на досягнення загальносистемної цілі;

4 - формальне вираження технологічних задач у вигляді математичних моделей процесів;

5 - визначення складу і об’єму необхідної інформації.

За Єрошко Ф.І. [121], системний аналіз будь-якої проблеми складається з таких основних етапів:

1 - аналіз кінцевих цілей, які повинні бути досягнуті при вирішенні розглядаємої проблеми:

2 - формулювання обмежень за ресурсами і аналіз альтернативних варіантів їх використання;

3 - розробка системи показників і на їх основі критеріїв для оцінки можливих альтернатив, а також вибір найбільш оптимального варіанту для досягнення поставленої мети.

На кожному з вказаних етапів необхідна тісна співпраця фахівців з аналізуємої еколого-меліоративної проблеми і фахівців із системного аналізу [60]. Аналізуючи вищеприведенні підходи застосування системного аналізу, для вирішення задач і проблем ландшафтних меліорацій нами пропонується виділяти сім основних етапів:

1. – визначення проблеми і об¢єкту дослідження (або сукупності об¢єктів), як системи;

2. – структуризація системи;

3. – визначення стану системи, її проблем та постановка задачі;

4. – визначення загальносистемної цілі і задач дослідження;

5. – вибір методів і способів рішення задач;

6. – розробка моделей технологічних задач для досягнення цілі;

7. – визначення найбільш оптимального варіанту і реалізація його.

Ключовими концептуальними методологічними принципами ландшафтних меліорацій є такі. По-перше: опереджуючий принцип відслідковування еколого-економічних проблем та розробка оптимального комплексу превентивних меліоративних заходів, які реалізуються поетапно. По-друге: при цьому розглядається не окрема проблема підсистеми ландшафту ( наприклад: деградація грунтів внаслідок багаторічного зрошення високомінералізованою водою або виснаження зрошуваних грунтів без внесення добрив), а весь ландшафт як система, в якій існує одна чи декілька проблем. Тому планування заходів щодо меліорації ландшафту відштовхується не від окремої проблеми, нехай і дуже важливої, а від ландшафту, в умовах якого виникла ця проблема. При цьому вихідним концептуальним принципом є те, що комплекс ландшафтних меліорацій, на відміну від існуючих традиційних меліоративних підходів, не є реакцією на якусь одну чи кілька проблем, а розробляється для кожного природно-технічного ландшафту (зрошуваного, осушуваного) як стратегічна довгострокова програма покращення ландшафту, яка включає в себе низку існуючих проблем меліоративного режиму. Образно кажучи, в основу методології ландшафтних меліорацій покладений принцип давньої китайської медиціни – лікувати не окрему хворобу, а всю людину, постійно оздоровлювати її в процесі життєдіяльності. При цьому важливо постійно відслідковувати стан об¢єкта досліджень, розвиток проблем, передбачати і прогнозувати їх, здійснювати превентивні профілактичні меліоративні заходи.

Виходячи з вищенаведеного, об¢єктом ландшафтних меліорацій повинен стати кожний ландшафт, який задієний в системі природокористування ( від ландшафту що має регіональне значення до елементарного ландшафту – сівозміни або ділянки, на яких здійснюється процес сільськогосподарського виробництва). Управління ландшафтними меліораціями проводиться відповідно розглядаємого виду ландшафту, від регіонального рівня до локального, обласного, районого та управління на рівні господарства і ділянок.

Комплекс ландшафтних меліорацій розробляється для кожного сільськогосподарського ландшафту і повинен включати заходи з оптимізації ландшафту в цілому, а в системі цих загальних заходів розробляються заходи щодо вирішення конкретних проблем або задач ( засолення, осолонцювання підтоплення деградація грунтів, забруднення зрошувальних вод, використання стічних та дренажних вод тощо).

Таким чином, концепція ландшафтних меліорацій передбачає розробку системного програмно-цільового комплексу меліоративних заходів для кожного ландшафту, а розробка і реалізація заходів з вирішення окремої конкретної проблеми здійснюється як одна внутрішніх задач цієї програми. Моніторинг стану ландшафту, включаючи прогноз розвитку проблем меліоративного режиму, доцільно здійснювати в системі еколого-меліоративного моніторингу.

Метою ландшафтних меліорацій є створення оптимального для конкретних умов культурного ландшафту, який гармонійно поєднує природні і антропогенні умови із врахуванням реальних економічних, екологічних та соціальних умов і вирішенням довго – середньо – і короткострокових задач і проблем.

Виходячи з розглянутих концептуальних методологічних принципів ландшафтних меліорацій, зупинимось детальніше на аналізі операцій, які здійснюються на основних етапах системного аналізу при вирішенні проблем меліоративного режиму агроландшафту.

1. Визначення проблеми об¢єкту ландшафтних меліорацій (ЛМ) як системи.Об¢єктом ЛМ є кожний ландшафт, в умовах якого здійснюється антропогенна діяльність, побудована або проектується ГМС. Тому цей ландшафт може бути розглянутий як складна динамічна система, яка має вхід і вихід та характеризується такими властивостями: цілісністю, розділяємостю, відносною ізольованістю, відображаємістю, синергічністю, сумісністю, взаємозалежністю, станом, поведінкою, розвитком, стійкістю, адаптивністю, спадкоємністю, структурністю та ін.

2. Структуризація системи.Мета структуризації – визначення структури системи, складу її елементів і зв¢язків між ними, досягнення точного уявлення про внутрішню побудову об¢єкта досліджень [60].

Структура являє собою взаємоположення складових частин, сукупність зв¢язків між елементами системи, яка відображає їх взаємодію. Система є фрагментом реальності ( реального ландшафту), формується і проявляє свої властивості в процесі взаємодії із оточуючим середовищем.

Перш за все слід виділити межи системи у просторі горизонтальної та вертикальної площині, у часі та її зовнішнє середовище [ 131 ].

При вивченні ландшафту практично неможливо добитися, щоб система була ізольованою від зовнішнього середовища та не впливала на його параметри. Тому, межу слід вибирати таким чином, щоб взаємний вплив середовища і системи був мінімальним. Для досягнення цієї умови є можливість виникнення потреби розширення межі системи у порівнянні з передбаченою раніш.

Для локалізації межі досліджуємої системи необхідно визначити всі елементи, які пов¢язані з меліорацією відповідного ландшафту і розділити їх на 2 класа: досліджуємий ландшафт і його зовнішнє середовище. Единий критерій вірності включення того або іншого елементу до системи – участь його в процесі, який призводить до вихідного результату даної альтернативи. Завершується етап структуризації визначенням усіх суттєвих зв¢язків між вивчаємою системою і системами, які виділені у навколишньому середовищі [60].

3. Визначення стану системи, її проблем та постановка задачі.Визначаються характеристики елементів системи: основні властивості грунту, значення показників меліоративного режиму грунтів, їх родючості, основні характеристики гідрогеолого-меліоративного і екологічного стану агроландшафту, показники технічного стану зрошувальної і дренажної мережі тощо. Методом порівняння фактичних значень вивчаємих характеристик з їх еталонними значеннями для даних умов (критеріями) визначається стан агроландшафту та виявляються, визначаються проблеми.

Під терміном проблема (грецьке. problema – задача) розуміється складне теоретичне або практичне питання, яке потребує вивчення та розв’язання; у науці суперечлива ситуація, яка виступає у вигляді протилежних позицій у тлумаченні відповідних явищ, об’єктів, процесів і вимагає адекватної теорії для вирішення. Проблема може бути об’єктом дослідження або вивчення.

На базі методологічних принципів системного аналізу і системного підходу в гідромеліорації В.В. Морозовим запропонована модель змісту дипломного проектування для ОКР: Бакалавр, Спеціаліст, Магістр (рис.2.2.) [148].

На етапі визначення стану ландшафтно-меліоративної системи та її проблем слід відповісти на питання чи потібен системний аналіз при дослідженні існуючої проблеми або проблем, в чому виражається незадовільність функціювання вивчаємої системи або складових її елементів, а також що заважає змінити систему у потрібному напрямі без системного аналізу.

Є думка, що ніхто краще, ніж фахівці відповідної галузі (наприклад, галузі грунтознавства, агрохімії, землеробства, гідрогеології тощо) не знають, що і як слід змінити в системі або її елементах, щоб покращити функціювання цієї системи. Однак при цьому, як правило, задачі формулюються або у загальних, неконкретних виразах, або навпаки, ставляться дуже вузькі конкретні задачі, які не охоплюють проблему у цілому [60].

Фахівцю, який не володіє методом системного аналізу, здається, що він врахував усі фактори, які впливають на кінцевий результат. Однак в дійсності, рішення щодо покращення функціонування системи, які приймаються у складних ситуаціях, майже завжди неоптимальні. Така ситуація складається не тому, що фахівці недостатньо кваліфіковані. Справа в тому, що навіть найкращі фахівці у своїй галузі при вирішенні складних проблем без системного підходу не взмозі врахувати всі фактори, які впливають на функціювання системи, передбачити і запрогнозувати всі наслідки плануємих впливів на ландшафт як систему.

Освіт- ньо – кваліфікаційний рівень	Об’єкти проектування	Мета проекту	Задачі проекту
Бакалавр	A B	Підвищити ефек­тивність системи (1) шляхом удоскона­лення її елемента (2) - об’єкта проектування (3), надання йому нових кількісних і якісних характеристик	1 – Вивчення цілісної системи (1), виявлення недосконалості її елементів (2) та системи (1) в цілому. 2 – Визначення і характеристика об’єкта проектування (3). 3 – Поглиблене вивчення (досліджен­ня) об’єкта проектування (3). 4 – Проектування нового стану об’єкту (3) : розрахунки параметрів, креслен­ня, моделювання, техніко – економіч­не обґрунтування нових рішень. 5 – Розробка рекомендацій для впро­вадження проекту у вироб­ництво з урахуванням оточуючого зовнішнього середовища (4).
Спеціаліст	A     B	Підвищення ефек­тивності системи (1) – об’єкта проек­тування (3) шляхом вдосконалення її основних елементів (2), надання їм нових кількісних і якісних характе­рис­тик	1 - Вивчення цілісної системи (1), оцінка її стану та виявлення її недосконалості. 2 – Визначення і характеристика елементів системи (2) як складових об’єкту проектування і всієї системи як складного об’єкта проектування (3). 3 – Поглиблене вивчення об’єкту проектування (3), його складових елементів (2). 4 – Проектування нового стану об’єктів (2 і 3): розрахунки парамет­рів, креслення, моделювання, техніко – економічне обґрунтування нових рішень кожного елемента і системи (3) в цілому. 5 – Розробка нової технології управління об’єктом (3) з урахуванням зовнішнього оточуючого середовища (4), бізнес плану і рекомендацій для впровадження проекту у виробництво.
Магістр	B A	Підвищення ефек­тивності системи (1) шляхом дослід­жен­ня і вирішення її актуальних проблем	1 - Вивчення цілісної системи (1), виявлення її проблем. 2 – Вивчення однієї з проблем, аналітич­ний огляд літератури, формування робочої гіпотези, мети і завдань досліджень. 3 – Результати досліджень елементів (2) і системи (1) в цілому та у взаємозв’язку із зовнішнім оточуючим середовищем (4). 4 – Розробка шляхів і рекомендацій щодо підвищення ефективності системи (1), нової технології управління об’єктом (3) у взаємозв'язку з зовнішнім оточуючим середовищем (4), бізнес плану і пропозицій щодо впровадження проекту у виробництво.
Умовні позначення : 1 – вивчаєма система; 2 – елементи системи; 3 – об’єкт проектування; 4 – оточуюче зовнішнє середовище; А – вхід до системи (ресурси); В – вихід з системи (мета, результати діяльності системи)

Рис.2.2. Модель змісту дипломного проектування для ОКР: бакалавр, спеціаліст, магістр (В.В. Морозов, 2006) [148].

В галузі зрошувальних та осушувальних меліорацій можливо привести багато прикладів, коли прийняті рішення (інакше вони не приймалися б), в подальшому призводили до негативних наслідків, які при системному підході можливо було б передбачити. До таких прикладів можливо віднести проблеми зрошення чорноземів південних водою з негативними іригаційними характеристиками з озера – водосховища Сасик [24], Київське водосховище, погіршення якості поливної води Інгулецької зрошувальної системи, не ефективні зрошення і горизонтальний дренаж на Керченському півострові, широкомасштабне підтоплення зрошуваних агроландшафтів і населених пунктів тощо.

Коли проблема і необхідність використання системного підходу для її вирішення визначені, відбувається постановка загальної задачі і обмеження її складності. При цьому слід упростити задачу таким чином, щоб вона мала аналітичне вирішення (Джефферс, 1981), але треба зберегти всі елементи, необхідні для практичного вивчення проблеми. Успіх системного дослідження залежить від того, наскільки тонко врахована рівновага між спрощенням та ускладненням задачі. При значному упрощенні задачі результати системного дослідження можуть привести до тривіальних рішень [60].

4. Визначення загальносистемної цілі і задач дослідження. Після постановки загальної задачі і обмеження її складності необхідно встановити кінцеву ціль (або цілі). При цьому слід враховувати, що цілі неравнозначні і створюють відповідну ієрархію, послідовно підрозділяючись на ряд головних та другорядних цілей та задач.

Наприклад, при вирішенні проблеми оптимального управління водно-сольовим режимом грунту в умовах слабо-дренованих та безстічних ландшафтів (ціль) першорядною задачею є регулювання рівня грунтових вод, при цьому важливе значення має збалансованість і нормування водоподачі і водовідведення (функціювання зрошення і дренажу).

5. Вибір методів вирішення задач. В ландшафтних меліораціях майже завжди є можливість використати більше одного метода і способа вирішення кожної конкретної задачі. На даному етапі часу, технічного і економічного розвитку вибирається найбільш оптимальний метод, враховуючи способи, які використовуються на практиці для вирішення аналогічних задач [60].

6. Розробка моделей технологічних задач для досягнення цілі. Розробка математичної моделі – основний етап системного аналізу. При моделюванні важливо чітко уявляти призначення моделі. Фундаментальна цінність моделі полягає в її здатності замінювати реальний об’єкт, імітувати поведінку реальної системи, прогнозувати можливі результати її функціювання (А.С. Образцов, 1990).

7. Вибір найбільш оптимального варіанту і реалізація його. В процесі виробничої перевірки і впровадження проектних і технологічних рішень виявляються недоліки або неповнота системного аналізу, необхідність перегляду та удосконалення моделі(або моделей). Як було розглянуто вище, кожна підсистема – є одночасно і самостійною системою, і елементом системи більш високого рівня. В зв’язку з цим можливо виділити три характерні ситуації при вивченні ландшафту як системи.

Перша ситуація. Систему вивчають як ціле на макрорівні. Основна увага в цьому випадку приділяється взаємодії системи із зовнішнім середовищем. Елементи системи вивчаються тільки з точки зору організації їх у єдине ціле, впливу кожного з них на її функціювання, при цьому структура системи розглядається такою, яка вона є (принцип “чорної скрині”) [60] .

Друга ситуація – вивчення системи на мікрорівні. Відбувається вивчення взаємодії елементів в середині системи, їх властивостей і умов функціювання з метою покращення даної системи.

Третя ситуація. Розглядається комплексний вплив зовнішнього середовища і структури системи на результати її функціювання.

Вивчення (дослідження) ландшафту як системи доцільно починати з макрорівня, а потім переходити на мікрорівень, хоч при вирішенні окремих задач можливий і зворотній порядок .