Екологічний аналіз аграрних технологічних систем.

Загальне визначення екологічності аграрних ТхС наведене при висвітленні системи професійних цінностей аграрної інженерії (п. 1.3, рис. 1.6). Оцінка екологічності технологічних систем базується на кількісних показниках раціональності використання непоновлюваних ресурсів, ефективності використання поновлюваних ресурсів та рівня сукупних негативних впливів на довкілля.

У загальноприйнятих показниках ефективності (економічна ефектив­ність, ефективність праці) корисні результати і витрати визначаються в грошових одиницях, а шкідливі наслідки не оцінюються. Для аналізу екологічності доцільно використовувати енергетичні еквіваленти, вихо­дячи з наступних умов:

• будь-який матеріальний об’єкт (техніка, матеріали, паливо, будівлі, продукція) містять певну кількість енергії як у прямому вираженні, так і уречевленої в процесі його виробництва;

• кожну дію, корисну чи шкідливу можна оцінити сумарною витра­тою енергії.

Перевагою енергетичних одиниць порівняно з грошовими є їх стабіль­ність, відображення фізичної суті процесів, можливість виразити різні за природою ресурси, об'єкти й процеси в однорідних одиницях.

Результати технологічної діяльності у загальному вигляді можна охарактеризувати множиною корисних ефектів Q = {q_i} витратами ресурсів (праці, матеріалів, енергії, часу) С = {с_i}, які у своїй суті є платою за корис­ність. Економічна ефективність виражається відомою залежністю

(6.23)

де корисність і затрати виражені в грошових одиницях.

Екологічно шкідливі наслідки виробництва Е_н також можна розгляда­ти як плату за корисність. Тоді більш загальним показником функціону­вання ТхС буде економіко-екологічна ефективність

(6.24)

Оскільки шкідливі для людей і довкілля техногенні наслідки складно оцінити грошима, то змінні в залежності (2. 42) виражають в енергетич­них одиницях.

Стосовно галузі рослинництва загальну формулу економіко-екологічної ефективності технології можна конкретизувати у вигляді

(6.25)

де Е_Uj і ΔЕ_Uj — вирощений урожай та технологічні втрати основної та побічної продукції j-го виду для даної технології в енергетичному виразі, МДж/га;

Е_Сі — сукупні витрати непоновлюваних ресурсів на і-й операції технологічного процесу, МДж/га;

Е_Ніk — шкідливі наслідки техногенного характеру k-го виду на і-й операції, МДж/га.

Як зазначалося вище будь-який матеріальний об’єкт або дію можна виразити в енергетичних одиницях, тому наведемо відповідні залежності для складників формули (6.25).

Урожай U_і, його втрати ΔU_і, всі види ресурсів (праця людей, енергоре­сурси, технологічні матеріали, техніка) можна виразити в енергетичних одиницях, користуючись залежністю

(6.26)

де Е_j — кількість сукупної енергії, що міститься в і-му матеріальному об’єкті, МДж;

α_j — енергетичний еквівалент одиниці маси чи об’єму об’єкту, МДж/кг, МДж/л;

M_j – кількісна характеристика об’єкта, кг, л.

Наприклад, енергетичний еквівалент бензину становить в середньому а_б - 42,3 МДж/л, а діючої речовини азотних добрив — а_ад= 86,8 МДж/кг д. р. Сільськогосподарська продукція як основна, так і побічна також містить в собі уречевлену енергію. Для зерна пшениці середнє значення енерге­тичного еквіваленту становить а_з=19 МДж/кг, а для соломи — близько а_с = 10 МДж/кг. Для технічних засобів енергетичні еквіваленти встановлю­ються на 1 кг маси за годину роботи. Так, для тракторів а_т = 0,024 МДж/кг•год. Затрати праці оцінюються еквівалентом години роботи.

В енергетичних одиницях можна також виразити негативні наслідки функціонування ТхС.

Польові технологічні системи рослинництва спричинюють ущільнен­ня ґрунту ходовими системами машинних агрегатів, його технологічну ерозію і винесення гумусу за межі поля, руйнування природних біоценозів, забруднення середовища та продукції шкідливими хімічними сполуками.

Ущільнення поля можна оцінити роботою деформації ґрунту, що пов’язана з утворенням колії і може бути виражена через опір коченню

(6.27)

де А_f— робота на утворення колії, МДж/га;

Р΄_f — складова опору коченню, що деформує ґрунт, кН;

L_s =10⁴/В_р — шлях пройдений агрегатом при обробітку 1 га, м/га;

η — коефіцієнт втрат у ходовій системі тракторів (для колісних тракторів — η = 0,98, для гусеничних — η = 0,9-0,93);

f_т i f_Мj; -коефіцієнти опору коченню трактора і j-ї машини в агрегаті (у тому числі зчіпки);

С_т і С_mj — експлуатаційна вага трактора і;-ї машини агрегату, кН;

В_р — ширина захвату агрегату, м.

Деградацію грунту внаслідок винесення гумусу через недосконалість технологій механізованих робіт також можна виразити в енергетичних одиницях, користуючись формулою

(6.28)

де Е_гі — втрати гумусу при виконанні і-тої технологічної операції, МДж/га;

α_г — енергетичний еквівалент гумусу (а_г =21,4—29,9 МДж/кг);

δ_г — коефіцієнт вмісту гумусу в одиниці маси грунту;

М₃ — маса землі, що виноситься за межі поля при виконанні техно­логічних операцій, кг/га.

Шкідливу дію засобів хімізації, що не виконують свого безпосередньо­го призначення (живлення рослин, знищення бур’янів, шкідників чи но­сіїв хвороб), можна виразити залежністю:

(6.29)

де А_хр — шкідлива дія хімічних речовин р-го виду, МДж/га;

k_хр — показник енергетичної активності субстанції, Дж/моль•год;

Н_хр — норма витрати хімікатів (у діючій речовині), кг/га;

m_р — маса 1 моля субстанції, кг/моль;

φ_хр — коефіцієнт непродуктивних витрат і втрат хімікатів;

Т_хр — час розкладу хімікатів до нешкідливого стану, год.

Рівень використання технологічних матеріалів взагалі та хімічних за­собів зокрема будемо визначати відношенням

(6.30)

де φ_м i φ_в — коефіцієнти корисного використання і втрат матеріалів;

q — біологічно необхідна кількість матеріалу, кг/га;

q_t — питомі втрати матеріалів на t-му етапі технологічного процесу (від зберігання до внесення), кг/га.

Якщо при проведенні хімічного обробітку має місце знесення препа­ратів за межі поля, то для оцінки забрудненості певної ділянки місцевості замість норми внесення Н_хр в (6.29) підставляють концентрацію препа­ратів на одиниці площі, а коефіцієнт φ_хр приймають рівним 1. Загальні шкідливі наслідки технологічної операції при однакових розмірностях складових визначаються їх сумою.

Рис. 6.6. Характерні поєднання економічної ефективності та екологічності аграрних ТхС.

Для аналізу зв’язків між екологічною та економічною ефективністю аграрних ТхС рівняння (6.24) запишемо у вигляді

(6.31)

де W_е = Q - С — ефект технології в грошових або енергетичних оди­ницях;

Е_н — загальні негативні впливи технології на довкілля.

Виходячи з того, що між ефектом в енергетичному і грошовому виразі є тісна прямопропорційна залежність, зв’язок ефективності та екологіч­ності ТхС можна оцінити в координатах ε_Т і W_е (рис. 6.6).

Наведемо аналіз характерних поєднань узагальнених показників функціонування технологічних систем S(W_е, ε_Т).

Перший квадрант S(W_е, ε_Т) характеризує позитивну область ефектив­ності та екологічності системи S(+,+), хоча співвідношення між цими по­казниками можуть бути різними. Тут економічний ефект системи переви­щує шкідливі наслідки (W_е = Q - С > 0 і W_e>E_H).

Другий квадрант S(+,-) характеризує область економічно ефектив­них, але екологічно несприятливих систем, коли ефект від використання активних засобів є позитивним (W_е = Q — С > 0), але шкідливі впливи системи перевищують допустимі норми (W_e<Е _н).

Третій квадрант S(-,-) є областю економічно неефективних і екологіч­но шкідливих систем (W_е = Q — С < 0 і W_е < Е_н).

Четвертий квадрант S(-,+) характеризує процеси підвищення еко­логічності виробництва, ліквідації несприятливих наслідків функціону­вання ТхС, благоустрою і впорядкування виробничих територій, які по­требують затрат ресурсів і коштів, не дають безпосереднього і негайного економічного ефекту, але підвищують культуру виробництва.

Принципово важливою особливістю аграрних ТхС є те, що значен­ня показників екологічності є залежними від природно-виробничих умов і часу. Так, запізнення з проведенням хімічного захисту рослин навіть на один день може призвести до майже повної втрати посівів. В такому разі процес хімічного захисту переходить із першого квадранту в третій, тобто стає і економічно збитковим, і екологічно шкідливим. До таких же наслід­ків призводить обприскування за несприятливих погодних умов (вітряна або дощова погода, наявність висхідних теплових потоків тощо). Інший приклад. Технологічна система, що сформована на базі енергонасичених тракторів в одних природно-виробничих умовах буде ефективною і еко­логічно сумісною з середовищем, в інших — навпаки. Ці обставини важ­ливо враховувати при оцінці виробничих ситуацій, проектуванні та ви­користанні аграрних технологічних систем.

Таким чином, концепція екологічності дозволяє дати кількісну оцінку екологічних властивостей аграрних ТхС, встановити їх зв’язки з еконо­мічною ефективністю, що є необхідною умовою гармонійного розвитку технологій і природного середовища.

Проаналізуємо економіко-екологічну ефективність (6.25) на рівні тех­нології вирощування сільськогосподарських культур.

Вираз Σ(Е_иj — ΔЕ_uj) характеризує корисні кінцеві результати функціо­нування ТхСТ і його можна записати у вигляді

(6.32)

де φ_в — коефіцієнт технологічних втрат j-го виду продукції (урожаю). Стосовно аграрної інженерії втрати врожаю залежать, в основному, від достатності технологічних функцій, їх якості та своєчасності.

В оцінці технологій поширений показник енергетичної ефективності, що має вигляд:

(6.33)

де α₀ і α_п — енергетичні еквіваленти основної та побічної продукції;

U_о і U_п — врожайність основної і побічної продукції.

З урахуванням (6.32) можна записати

(6.34)

де К_пет= Е_пи/Е_с — потенційне значення коефіцієнта енергетичної ефективності технології при заданих витратах сукупної енергії.

Введемо також показник екологічності технології К_ε, який характери­зує відношення корисних результатів до сукупних негативних наслідків

(6.35)

де К_нк = Е_н/Е_к — показник негативних наслідків технології відносно корисних результатів.

Залежність (6.25) можна також представити у вигляді добутку енерге­тичної та інформаційної складових технологічних процесів, тобто у ви­гляді показника енергоінформативності

(6.36)

де Е_пи і К_пи — потенційні значення корисних результатів та показника екологічності технології при даних сукупних затратах енергії;

δ_С, δ_Н — відносні щодо потенційних корисних результатів Е_пи по­казники ресурсомісткості та шкідливості технології.

Таким чином, економіко-екологічну ефективність технологій можна підвищувати за рахунок підвищення потенційно можливих корисних ре­зультатів, а також зниження технологічних втрат врожаю, ресурсомісткості та шкідливих наслідків технологій.

Залежності показника енерго-екологічної ефективності техноло­гії ε_т від корисних результатів Е_к і втрат врожаю φ_в мають лінійний ха­рактер (рис. 6.7 а), а від затрат непоновлюваної енергії — гіперболічний (рис. 6.7 б). Перехід на вищий рівень корисних результатів може здійсню­ватися в екологічно сприятливому або несприятливому напрямках, по екс­тенсивному, екстенсивно-інтенсивному та інтенсивному шляхах.

Для екстенсивного розвитку технологічних систем характерними є умови К_ет1<К_ет0, Е_с1>Е_с0 (напрям від точки а₁ і вправо), тобто приріст врожаю (корисності) йде за рахунок додаткових витрат ресурсів (енергії, добрив, пестицидів, тощо).

Для екстенсивно-інтенсивного шляху (ділянка а₁ — а₁*) характерними є умови К_ет1>К_ет0, Е_с1>Е_с0, тобто додаткові витрати ресурсів призводять до зростання коефіцієнта енергетичної ефективності технології.

Приріст врожаю при інтенсифікації технологічних процесів досягаєть­ся за умов К_ет1>К_ет0 і Е_с1<Е_с0 (напрям від точки а₁* включно і вліво). Цей шлях є можливим при зниженні техноло-гічних втрат врожаю (φ_вj), а також підвищенні потенційної врожайності (Е_иj) за рахунок ефективні­шого використання природних факторів родючості.

Рис. 6.7. Графіки залежностей коефіцієнта енергетичної ефективності технології К_ет від коефіцієнта втрат урожаю φ_в (а) та сукупної ресурсомісткості технології E_с (б).

Е_пи — енергетичний вираз потенційного врожаю;

U_зп — потенційний врожай зерна

1, 2, 3 — ізолінії корисності в порядку її наростання

Підвищення врожайності при одночасному зниженні сукупних витрат ресурсів забезпечується переважно системою агротехнічних, технічних і організаційних чинників, тобто потребує якісного стрибка в техноло­гії та культурі виробництва. Прикладом такого технологічного стрибка є інтенсивна ресурсоощадна технологія вирощування цукрових буряків, коли сівба проводиться одноростковим дражованим насінням високої схожості на кінцеву густоту, стрічковому внесенні гербіцидів і локально­му внесенні добрив, застосуванні комбінованих і комплексних агрегатів при належній технологічній дисципліні. Це дозволяє досягти запрогра­мованого врожаю при зниженні затрат праці приблизно на 40 %, витрат добрив у 1,5 — 2 рази, гербіцидів — у 3 рази. У результаті сукупні витрати енергії знижуються майже на 40 %, а коефіцієнт енергетичної ефектив­ності технології зростає приблизно на 70 %. Одночасно знижується рівень екологічно шкідливих наслідків через зменшення кількості операцій, під­вищення коефіцієнта корисного використання пестицидів і добрив.

Всебічні дослідження загальних і часткових залежностей екологічнос­ті дають можливість зробити важливі практичні висновки щодо цілеспря­мованого розвитку технологічних систем різних рівнів у екологічно без­печному напрямку.