Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ АНАЛИЗА УРОЖАЙНОСТИ ЛУГОВОЙ ТРАВЫ ОТ ВЫСОТЫ ПРОБНОЙ ПЛОЩАДКИ НАД УРЕЗОМ МАЛОЙ РЕКИ

Изобретение относится к анализу урожайности луговой травы, преимущественно на прирусловых пойменных лугах со сложным ветвлением малой реки на рукава и сложной поверхностью рельефа. Изобретение относится также к ландшафтам малых рек с луговой растительностью, разделенной на выдела по антропогенному влиянию, и может быть использовано при оценке урожайности травы по сырой массе проб в зависимости от высоты расположения пробных площадок над урезом водной поверхности малой реки в каждом створе измерений, перпендикулярной линии уреза воды.

Известен способ анализа урожайности луговой травы при испытании травяного покрова на пойме малой реки по патенту №2384048, включающий измерение длины притоков и площади водосбора притоков реки, а также падения притоков как разности высот между их истоками и устьями, распределение притоков по отличительным группам по наличию растительного покрова на территориях бассейнов водосбора реки и ее притоков, оценку влияния отличительных орографических особенностей рельефа и ландшафта, расположенных на территории водосбора притоков, на измеренной по длине и площади водосбора малой реки или ее притока визуально по карте или натурно выделяют участок пойменного луга с испытуемым травяным покровом, затем на этом участке по течению малой реки или ее притока в характерных местах размечают не менее трех гидрометрических створов в поперечном направлении в пределах водозащитной полосы или водоохраной зоны, вдоль каждого гидрометрического створа размечают не менее трех пробных площадок с каждой стороны малой реки или ее притока, после разметки измеряют расстояния от принятого начала координат на одной стороне малой реки или ее притока до центров пробных площадок, кроме этого измеряют высоту расположения центра каждой пробной площадки от поверхности малой реки или ее притока, а после срезки пробы травы подвергают испытаниям и по результатам испытаний выявляют закономерности влияния расстояния вдоль каждого створа, высоты расположения пробных площадок над урезом воды на биофизические и биохимические показатели проб травы, а также проводят оценку влияния отличительных орографических особенностей прибрежного рельефа и расположенных внутри и вне территории водозащитной полосы естественных и антропогенных объектов.

Недостатком является высокая регуляция схемы пробных площадок относительно гидрометрических створов и расстояний поперек и вдоль реки, которые оказались мало коррелятивными с урожайностью травы по свежесрезанным пробам. Кроме того, для аналога нужен простой водоток без сложного рельефа, например, невозможно проводить анализ урожайности травы с рекой на выделенном участке, имеющем два рукава по течению.

Известен также способ анализа урожайности травяного покрова по патенту №2388213, включающий учет колебаний урожайности в зависимости от структуры фитоценоза в виде травяного покрова, установление требуемой точности измерений урожайности по испытаниям травы на пробных площадках, проведение статистической обработки данных испытаний проб травы с пробных площадок на прирусловых, центральных и притеррасных поймах, а также на лугах с неравномерным и мозаичным размещением видов трав в каждом фитоценозе как компонентов травяного покрова, причем до закладки пробных площадок без измерения расстояний между ними проводят рекогносцировку местности с выбранным для измерений травяным покровом, составляют карту-схему или топографическую карту расположения компонент травяного покрова по результатам геодезических измерений и фотосъемок, после этого на каждой компоненте травяного покрова закладывают по крайней мере одну временную пробную площадку, по срезанной пробе травы взвешиванием определяют сырую массу пробы, а урожайность по группам компонент и в целом по травяному покрову вычисляют как значения средневзвешенной величины от урожайностей травяных проб.

Недостатком является также неопределенность в выборе наилучшего параметра рельефа и недостаточные функциональные возможности способа за счет более подробного ландшафтного измерения высоты над урезом воды, причем без привязки к расстояниям по створам и вдоль реки. Кроме того, прототип не учитывает усложнение рельефа за счет разветвления водотока малой реки по двум рукавам. Кроме этого не учитывается падение реки между пробными площадками вдоль малой реки.

Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение точности измерений перепада высоты с учетом измерений нивелиром высоты расположения этих площадок без срезания травы над каждым створом измерений, проведенным перпендикулярно линии уреза водной поверхности малой реки через центр каждой пробной площадки.

Этот технический результат достигается тем, что способ анализа урожайности луговой травы от высоты пробной площадки над урезом малой реки, включающий учет колебаний урожайности в зависимости от структуры фитоценоза в виде травяного покрова, установление требуемой точности измерений урожайности по испытаниям травы на пробных площадках, проведение статистической обработки данных испытаний проб травы с пробных площадок на прирусловых, центральных и притеррасных поймах, а также на лугах с неравномерным и мозаичным размещением видов трав в каждом фитоценозе как компонентов травяного покрова, причем до закладки пробных площадок без измерения расстояний между ними проводят рекогносцировку местности с выбранным для измерений травяным покровом, составляют карту-схему или топографическую карту расположения компонент травяного покрова по результатам геодезических измерений и фотосъемок, после этого на каждой компоненте травяного покрова закладывают по крайней мере одну пробную площадку, по срезанной пробе травы взвешиванием определяют сырую массу пробы, отличающийся тем, что структуру фитоценоза в виде травяного покрова принимают на малой реке с двумя рукавами по течению, причем фитоценоз в виде нескольких пойменных лугов по двум берегам малой реки принимают с разным антропогенным воздействием, причем установление требуемой точности измерений урожайности по взвешиванию сырой травы на пробных площадках выполняют в зависимости от принятых размеров пробных площадок и погрешности измерений на переносных бытовых весах, анализ урожайности по сырой массе проб травы выполняют преимущественно на прирусловых поймах, при этом за мозаичное размещение трав по качеству в каждом фитоценозе как компонент общего травяного покрова принимают выдела с разным антропогенным воздействием, на каждой компоненте-выделе травяного покрова закладывают по крайней мере одну пробную площадку и забивают колышек в его центре, затем укладывают квадратную рамку с образованием центра площадки в виде колышка, после этого срезают пробу травы и по срезанной пробе травы взвешиванием около пробной площадки определяют сырую массу пробы и после взвешивания пробу травы выбрасывают, так выполняют срезку и выбрасывание проб сырой травы со всех пробных площадок, затем с применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок в виде колышек и урезом реки по перпендикуляру к руслу реки, а точность измерения высоты пробной площадки устанавливают с учетом падения реки между пробными площадками вдоль реки, после проведения испытаний проб травы и измерений высоты статистическим моделированием выявляют волновые закономерности изменения массы сырой пробы в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом воды.

Фитоценоз в виде нескольких пойменных лугов по берегам малой реки принимают по реке и его рукавам с разным антропогенным воздействием в виде заброшенных сенокосов и пастбищ, а также временных дорог по лугам с малой интенсивностью движения.

Точность измерения высоты пробной площадки устанавливают ±0,5 см с учетом падения реки между пробными площадками по расстоянию ±0,5 м вдоль реки, причем с применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок с колышками по методу из «середины», при этом нивелир устанавливают на створе, приблизительно на одинаковом расстоянии до наблюдаемых точек в виде центров пробных площадок с колышками и колышка на линии уреза водной поверхности реки или его рукава, в центре пробной площадки и на линии уреза воды на колышек сверху устанавливают геодезическую рейку, затем выполняют измерения высоты над урезом водной поверхности малой реки данной пробной площадки.

Установление требуемой точности измерений урожайности по взвешиванию сырой травы на пробных площадках выполняют в зависимости от принятых размеров пробных площадок 0,50×0,50 м и погрешности измерений на переносных бытовых весах ±0,5 грамм.

С применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок в виде колышек и урезом реки по перпендикуляру к руслу реки, причем для учета падения реки относительно центра каждой пробной площадки намечают перпендикулярно линии уреза реки визирную линию, а в точке пересечения визирной линии с линией уреза воды забивают колышек для последующего нивелирования высоты пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки.

После проведения испытаний проб травы и измерений высоты статистическим моделированием выявляют волновые закономерности изменения массы сырой пробы в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки по формуле:

,

, ,

где m - расчетная масса пробы сырой травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

Н - высота центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в створе измерений по центру одной пробной площадки, м,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания высоты над урезом воды, м,

а ₁…a ₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество детерминированных и волновых составляющих.

Сущность технического решения заключается в том, что водное питание растений происходит по разнице высот между урезом воды и пробной площадкой, причем самое короткое расстояние между ними - это створ измерений перпендикулярно линии уреза воды до центра пробной площадки по горизонтали. И это обстоятельство является доминирующим в обеспечении влагой от малой реки. При этом на закономерность влияния высоты не оказывает существенного влияния на расстояние поперек и вдоль реки, ни характер антропогенного воздействия на луговой фитоценоз. Поэтому любой выделенный сложный по элементам фитоценоза участок малой реки принимается за единый объект для измерения по сырой массе срезанных проб травы, причем без их разделения по видовому составу.

Сущность технического решения заключается также в том, что выявленная общая закономерность влияния высоты расположения изучаемого растительного сообщества позволяет экологически оценивать высыхание малой реки, то есть снижение ее уровня водной поверхности, на прибрежный луговой фитоценоз. За последние десятилетия, из-за истребления растительного покрова, большинство ручьев и ручейков в стране пересохло, а малые реки постоянно снижают свою полноводность и уровень водной поверхности. Это ведет к деградации пойменных лугов, потере их продуктивности. Предлагаемый способ открывает практические возможности изучения таких антропогенным образом измененных речных прибрежных ландшафтов, а на основе статистического моделирования результатов замеров по данному способу выявлять закономерности влияния высоты на урожайность по сырой траве, а затем разрабатывать рекомендации по мелиорации лугов под реанимацию сенокосов и пастбищ.

Сущность технического решения заключается также и в том, что изучение поведение травяного прибрежного покрова в зависимости от высоты травы над урезом воды малой реки открывает новые практически возможности мелиорации пастбищ и сенокосов за счет управления высотой травяного покрова над урезом воды:

а) повышение полноводности малых рек, речек и ручейков за счет повышения активности растительного покрова на всей площади водосбора;

б) гидротехнического строительства с оптимизацией на каждом участке малой реки или ее притока высоты расположения мозаичной по высотам расположения структуры поверхности травяного покрова;

в) нормализации природопользования на данной малой реке за счет исключения явно неоптимальных, по высоте расположения травы над водной поверхностью реки, значений;

г) рациональное изменение рельефа по высотам отдельных делянок пойменного луга для повышения его общей продуктивности по скошенной и высушенной траве (сену).

Сущность технического решения заключается также и в том, что опыты по определению влияния высоты на массу сырой травы можно проводить и без дальнейшей естественной сушки. Это позволяет значительно упростить способ и снизить трудоемкость на испытание проб травы.

Положительный эффект достигается тем, что способ упрощается по исполнению, так как не требуется измерять расстояния вдоль и поперек реки. Способ упрощается также из-за того, что не требуется сушить пробы травы и это позволяет сразу же после срезки взвесить пробы на переносных весах и тут же эту пробу после взвешивания выбросить. Поэтому останется только один важнейший показатель - масса сырой пробы в зависимости от высоты пробной площадки над урезом воды.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые доказаны закономерности изменения высоты рельефа в среднестатистическом смысле (без учета расстояний по створам измерения) от расстояния вдоль реки и высоты рельефа в зависимости от основного параметра прибрежного рельефа - высоты травы над урезом водной поверхности малой реки. Причем наконец-то найден такой критерий, который не зависит от антропогенного влияния на разных участках пойменного луга.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

На фиг.1 приведена схема выделенного участка с тремя створами измерений по течению водотока малой реки Манага: 1-18 - номера пробных площадок; на фиг.2 даны профили трех створов выделенного участка малой реки; на фиг.3 показан общий вид пробной площадки с рамкой с внутренними сторонами 0,50×0,50 м и оставшейся после срезки заподлицо с поверхностью почвы травой; на фиг.4 представлено графическое изображение рельефа выделенного участка пойменного луга на реке Манага; на фиг.5 даны графики сильнейших детерминированных связей влияния расстояния вдоль малой реки на высоту пробной площадки над урезом водной поверхности, а также график влияния расстояния вдоль створа измерений на массу влаги в свежесрезанной пробе травы; на фиг.6 показаны графики по составляющим рангового распределения значений высоты пробной площадки над уровнем водной поверхности малой реки; на фиг.7 показаны графики влияния высоты пробной площадки на массу пробы свежесрезанной травы; на фиг.8 - то же на фиг.6 по изменению массы воды в сырой пробе травы; на фиг.9 - то же на фиг.5 по изменению массы высушенной пробы травы.

Способ анализа урожайности луговой травы от высоты расположения пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки содержит следующие действия.

Вначале визуально изучают травяной покров на данной территории пойменного луга и намечают места со створами измерений и пробными площадками относительно них поперек малой реки.

До закладки временных пробных площадок проводят рекогносцировку местности с выбранным для измерений травяным покровом, составляют карту-схему расположения компонент травяного покрова. После этого на каждой компоненте травяного покрова закладывают одну временную пробную площадку. Затем по срезанной пробе травы взвешиванием определяют сырую массу пробы, а урожайность по группам компонент на левой и правой частях прирусловой поймы, и в целом по травяному покрову малой реки или ее притока вычисляют как значения средневзвешенной величины от урожайностей травяных проб по сырой массе.

Карту-схему или топографическую карту расположения компонент травяного покрова составляют с отметками характерных мест рельефа и ландшафта, причем за характерные места принимаются запруды и их плотины, извилины реки или ее притока, кромки берегов реки, границы влияния гидротехнических сооружений и мостов, излучины и другие формы руслообразования малой реки или ее притока, а также антропогенные объекты в виде сенокоса и пастбища внутри водозащитной полосы и деревни вне водоохраной зоны малой реки. Кроме этого учитываются как характерные места прошлые дороги и тропинки, а также места разного антропогенного воздействия, например, места отдыха людей при рекреации, места временных или постоянных в прошлом стоянок крупного рогатого скота и др.

Контуры используемой для срезания пробы сырой травы пробные площадки в минимальном случае размером 0,50×0,50 отмечают колышком в центре нее. Для этого изготовляют рамку с внутренними сторонами 0,50×0,50 м, например, из деревянных реек, сколоченных гвоздями. Ее укладывают на траву вокруг колышка, а после срезки и взвешивания пробы срезанной травы на переносных весах, переходят к другой пробной площадке, отмеченной заранее колышком.

Структуру фитоценоза в виде травяного покрова принимают на малой реке с двумя рукавами по течению, фитоценоз в виде нескольких пойменных лугов по двум берегам малой реки принимают с разным антропогенным воздействием. Причем установление требуемой точности измерений урожайности по взвешиванию сырой травы на пробных площадках выполняют в зависимости от принятых размеров пробных площадок и погрешности измерений на переносных бытовых весах. Анализ урожайности по сырой массе проб травы выполняют преимущественно на прирусловых поймах, при этом за мозаичное размещение трав по качеству в каждом фитоценозе как компонент общего травяного покрова принимают выдела с разным антропогенным воздействием. На каждой компоненте-выделе травяного покрова закладывают по крайней мере одну пробную площадку и забивают колышек в его центре.

Затем укладывают квадратную рамку с образованием центра площадки в виде колышка. После этого срезают пробу травы и по срезанной пробе травы взвешиванием около пробной площадки определяют сырую массу пробы и после взвешивания пробу травы выбрасывают, так выполняют срезку и выбрасывание проб сырой травы со всех пробных площадок.

Затем с применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок в виде колышек и урезом реки по перпендикуляру к руслу реки. А точность измерения высоты пробной площадки устанавливают с учетом падения реки между пробными площадками вдоль реки.

После проведения испытаний проб травы и измерений высоты статистическим моделированием выявляют волновые закономерности изменения массы сырой пробы в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом воды.

Фитоценоз в виде нескольких пойменных лугов по берегам малой реки принимают по реке и его рукавам с разным антропогенным воздействием в виде заброшенных сенокосов и пастбищ, а также временных дорог по лугам с малой интенсивностью движения.

Точность измерения высоты пробной площадки устанавливают ±0,5 см с учетом падения реки между пробными площадками по расстоянию ±0,5 м вдоль реки, причем с применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок с колышками по методу из «середины». При этом нивелир устанавливают на створе, приблизительно на одинаковом расстоянии до наблюдаемых точек в виде центров пробных площадок с колышками и колышка на линии уреза водной поверхности реки или его рукава, в центре пробной площадки и на линии уреза воды на колышек сверху устанавливают геодезическую рейку, затем выполняют измерения высоты над урезом водной поверхности малой реки данной пробной площадки.

Установление требуемой точности измерений урожайности по взвешиванию сырой травы на пробных площадках выполняют в зависимости от принятых размеров пробных площадок 0,50×0,50 м и погрешности измерений на переносных бытовых весах ±0,5 грамм.

С применением нивелира измеряют перепады высот между центрами пробных площадок в виде колышек и урезом реки по перпендикуляру к руслу реки. Причем для учета падения реки относительно центра каждой пробной площадки намечают перпендикулярно линии уреза реки визирная линия, а в точке пересечения визирную линию с линией уреза воды забивают колышек для последующего нивелирования высоты пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки.

После проведения испытаний проб травы и измерений высоты статистическим моделированием выявляют волновые закономерности изменения массы сырой пробы в зависимости от высоты расположения пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки по формуле:

,

, ,

где m - расчетная масса пробы сырой травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

Н - высота центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в створе измерений по центру одной пробной площадки, м,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания высоты над урезом воды, м,

a ₁…a ₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество детерминированных и волновых составляющих.

Пример. Объект исследования - земельные участки на территории племенного завода «Азановский» Медведевского района Республики Марий Эл с растительным покровом в травяной пойме реки Манага (фиг.1)

Предмет исследования - закономерности влияния расстояния поперек и вдоль реки, а также высоты от уреза воды на урожайность травяного покрова.

Манага - левый приток Малой Кокшаги, длина реки 27 км, площадь водосбора 194 км². Участок по течению реки Манага расположен с северо-востока на юго-запад. Пойма реки - для выпаса скота и сенокошения.

Методика испытаний. Нами был выбран метод пробных площадок, при изучении травы является принятие пробных площадок размерами 0,5×0,5 м и площадью в 0,25 м². Для соблюдения постоянных условий отбор проб на пойменном лугу предложено проводить в период созревания травы.

Исследования проводились в июле 2011 года. Были использованы следующие приборы: геодезическая мерная лента и нивелир для измерения превышений над водной поверхностью малой реки Манага.

Сначала визуально была изучена с обеих сторон береговая линия малой реки Манага и травяной покров на пойменном лугу, далее натурно были намечены места расположения восемнадцати пробных площадок пойменного луга с испытуемым травяным покровом до проведения сенокоса.

По течению реки выбирали три створа и с каждого створа по обеим сторонам реки по три пробы. Расположение пробных площадок представлено на фигурах 1 и 2.

На выбранном первом створе на расстоянии 90 м от кромки воды, обозначаем первую пробную площадку размером 0,50×0,50 м. Для упрощения процесса установления пробной площадки, был изготовлен квадратный шаблон из деревянных реек. Замеры расстояний производили с помощью геодезической мерной ленты длиной 20 м.

На выбранную для взятия проб травы учетную площадку накладываем шаблон с внутренним сечением в 0,25 м² и после этого срезаем весь растительный покров вровень с поверхностью земли ножницами (фиг.3).

Проводим те же самые действия для остальных пробных площадок и створов и заносим все измеренные данные в журнал.

Далее, складываем срезанную пробу травы в бумажный пакет, на котором указали номер пробы. Полученные данные заносим в журнал, в котором указываются номер створа, номер учетной площадки в створе, массу пробы после непосредственного взвешивания на переносных весах.

Срезанные пробы травы подвергают взвешиванию и другим испытаниям для проведения в последующем биотехнической и/или биохимической оценки пробных площадок. По совокупностям измеренных свойств травяных проб выявляют закономерности их изменения в зависимости от высоты расположения центра пробных площадок от уреза воды примерно в летнюю межень. При этом весь выделенный участок малой реки принимают за цельный объект измерений.

Вторую пробную площадку обозначаем в 30 метрах от первой площадки, третью в 30 метрах от второй. Таким же образом срезаем растительный покров и взвешиваем, а бумажные мешки выдерживаются под навесом в течение месяца для естественной сушки. Это позволяет определить массу сена с 0,25 м² в граммах. Умножая на четыре, получаем урожайность в г/м² пробной площадки по сену.

Так поступают с каждой пробой травы со всех 18 пробных площадок.

Измерение параметров рельефа. До выбора наилучшего параметра рельефа были учтены все три координаты центра пробной площадки. После снятия травы со всех пробных площадок размечаем их центры в трех координатах: по длине реки от первого створа измерений, по длине створа слева направо по течению реки, высоте расположения пробной площадки над урезом водной поверхности реки.

Расстояния измеряют мерной лентой от принятого начала координат на одной стороне малой реки или ее притока до центров пробных площадок.

Кроме этого измеряют высоту расположения центра каждой пробной площадки от поверхности малой реки или ее притока. При этом относительно каждой пробной площадки будет свой створ измерений. В нашем опыте были сгруппированы по шесть пробных площадок в одном створе измерений. Но в общем случае каждая пробная площадка может иметь свои координаты.

Далее для определения высоты пробной площадки выполняем геодезические работы, в результате которых определяем превышения-разности высот точек местности при помощи нивелира и двух реек. Существуют различные виды и способы нивелирования: нивелирование способом «из середины», «вперед». Выбираем метод из «середины».

Нивелир устанавливаем на створе, приблизительно на одинаковом расстоянии до наблюдаемых точек. Приводим нивелир в рабочее положение по круглому уровню с помощью подъемных винтов. В центр пробной площадки устанавливаем колышки, на которые сверху устанавливаются рейки. Зрительную трубу визируем на заднюю рейку и, при совмещении двух концов цилиндрического уровня снимаем отсчет по черной стороне рейки, потом красной. После этого наводим трубу на переднюю рейку, и снимаем по ней отсчеты по двум черной и красной сторонам.

Оставаясь на станции, вычисляем значения измеренных превышений по обеим сторонам рейки. При переходе на следующую станцию рейка на передней точке становится задней.

Схематичное изображение профиля трех створов измерений по шесть пробных площадок представлено на фиг.2.

Результаты испытаний и измерений. Пробные площадки на правом берегу реки Ронга (№4-6, 10-12 и 16-18) расположены на месте, где регулярно производился выпас скота.

Рельеф можно охарактеризовать как слабовыраженный.

Пробные площадки левого берега (№1-3, 13-15) не используются и не подвергаются какому-либо антропогенному воздействию, а пробные площадки (№7-9) располагаются на месте бывшего сенокосного луга.

Территория имеет ярко выраженный рельеф (фиг.4) по двум сторонам рукавов и при этом имеются разные выдела пойменного луга с отличающимися антропогенными воздействиями.

Но это различие оказалось несущественным для закономерности влияния высоты на массу сырой травы и это влияние высоты было выявлено статистическим моделированием в программной среде CurveExpert-1.40 (http://www.curveexpert.net).

Результаты испытаний и вычислений показаны в таблице 1.

Тогда каждый выдел имеет размеры: по длине реки 50 м, а по ширине малой реки 30 м. Поэтому все выдела одинаковы по размеру и имеют площадь 1500 м² или 15 ар (соток).

Общая площадь выделенного на малой реке Манага участка равна 150×210=31500 м² или 3,15 га.

Общая продуктивность по сырой массе равна 208,8 центнеров или же 20,88 тонн. А по сухому сену продуктивность равна всего 9390 кг (93,9 центнер или же 9,39 тонн).

Из-за постепенного снижения продуктивности по сену сенокосы были заброшены, а пастбища стали нерентабельными.

Заметно, что параметры высоты и сырой массы пробы травы, срезанной с пробной площадки размерами 0,50×0,50 м, по размаху меньше среднего значения показателя (вариация соответственно 74,14 и 67,24%), а по остальным параметрам массы у проб травы наблюдается превышение размаха над средним арифметическим значением показателя.

Однако, как показали дальнейшее моделирование и анализ точности процесса моделирования волновыми функциями, масса влаги и масса сухого остатка после естественного высушивания в виде сена дают большую погрешность, и поэтому могут быть исключены из анализа. Именно научная интерпретация позволила получить данное техническое решение, поэтому предлагаемое решение по праву может быть названо научно-техническим.

Факторный анализ влияния рельефа. Он включает в себя три влияющих и пять зависимых факторов, из которых высота рельефа становится одновременно влияющей переменной и показателем.

Рейтинг факторов как объясняющих переменных и зависимых показателей, а также корреляционная матрица приведена в таблице 2.

Таблица 2 Рейтинг факторов и корреляционная матрица влияния рельефа на пробы травы Влияющие факторы x Зависимые факторы (показатели y) Сумма Σrx Место Ix высота H, м сырая трава m сухая трава mс масса влаги mв влажность W, % Расстояние вдоль Lв, м 0,8584 0,3939 0,6434 0,0903 0,6582 2,6442 2 Расстояние поперек L, м 0,1664 0,5954 0,3269 0,7176 0,4215 2,2278 3 Высота от уреза Н, м 0,4627 1 Сумма Σry 1,5424 - Место Iy 1 2 5/4 3 4/5 - Примечание. В числителе - без волн, то есть только детерминированные модели, а в знаменателе показаны коэффициенты корреляции моделей с волновыми составляющими, полученными по вычислительным возможностям программы CurveExpert-1.40.

Коэффициент коррелятивной вариации рассчитывается в двух случаях. В первом случае при детерминированных моделях получим его значение 8,2381/(3×5)=0,5492, а во втором случае 9,0244/(3×5)=0,6016.

При введении волновых составляющих в закономерности влияния высоты дал увеличение коэффициента коррелятивной вариации на 100 (0,6016-0,5492)/0,5492=9,54%. Такое изменение и привело к тому, что показатели массы сухой травы и влажности сырой травы оказались на последних местах, и при этом они меняются своими рейтинговыми местами.

Высота является единственным фактором, который влияет на самого себя и поэтому она подвергается ранговому распределению. Она стала первой как среди влияющих переменных, так и среди зависимых показателей. Это научный факт показывает, что в будущем возможны способы, позволяющие оценивать экологическую ситуацию только по перепаду высот от уреза воды. Это открывает широкие научно-технические перспективы.

Для всех факторных отношений общее уравнение тенденции имеет вид

где y - показатель или зависимый количественный фактор (в нашем примере любой из пяти параметров пробы травы);

x - объясняющая переменная или влияющий фактор (также любой из трех учтенных влияющих факторов рельефа);

a ₁…a ₈ - параметры модели, получаемые идентификацией в программной среде CurveExpert-1.40 на компьютере.

Бинарные сильные детерминированные связи. Из факторных отношений в данных таблицы 2 оставим только бинарные отношения с сильными факторными связями (табл.3) при коэффициенте корреляции r≥0,7.

Таблица 3 Корреляционная матрица влияния рельефа на пробы травы при r≥0,7 Влияющие факторы x Зависимые факторы (показатели y) высота H, м сырая трава m сухая трава mс масса влаги mв влажность W, % Расстояние вдоль Lв, м 0,8584         Расстояние поперек L, м       0,7176   Высота от уреза Н, м 0,7201

Из таблицы 3 выкидывается производный показатель влажности, поэтому остаются только четыре значащих показателя. При этом рельеф оказался достаточно четким (фиг.4) из-за наличия двух рукавов как продолжений реки (фиг.1).

Всего образовались пять бинарных отношений между тремя влияющими переменными и четырьмя зависимыми показателями. При этом коэффициент корреляции для не волновых (детерминированных) уравнений изменяется от 0,7176 (минимум) до 0,9692 (максимум).

Распишем формулы отобранных пяти сильных факторных связей, ранжируя их в таблице 4 их по убыванию коэффициента корреляции. При этом примем существующее условие адекватности эмпирических формул, что сильными называются те факторные связи, которые получают значения коэффициента корреляции не менее 0,7.

Таблица 4 Параметры закономерностей отобранных пяти сильных бинарных связей x→y Коэф. корр. Первая составляющая Вторая составляющая a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 R→Н 0,90153 0 -0,18866 0,59649 0 0 0 0 0,9692 Lв→H 1,95167 0 0,021342 1 0,00042757 1,81758 0 0 0,8584 H→mв 175,73424 0 0,25757 6,14389 1,62818е8 34,90393 20,19671 0,92851 0,7475 Н→m 1,46944е8 0 13,23053 0,23879 52361,306 25,04837 10,70666 1,09938 0,7429 L→mв 123,47819 0 -0,00016844 1,78569 -0,00011697 2,99355 0 0 0,7176

Изменение высоты четко проявляется вдоль реки. Аналогично с сильной связью влияет на массу влаги расстояние поперек реки (фиг.5).

Далее с коэффициентом корреляции чуть больше 0,7 наблюдаются изменения массы влаги, сырой массы и высушенных проб травы.

В таблице 5 даны оценки абсолютной и относительной погрешности у моделей, параметры которых даны в таблице 4.

Наименьшую погрешность получает сырая трава, то есть она по своей массе пробы проявляет более равномерное изменение. Тогда возникает противоречие: с одной стороны, для людей важно оценивать урожайность по сену, а с другой - более лучшие научные выводы даются по сырой траве, то есть по свежесрезанной пробе.

Таблица 5 Оценка относительной погрешности моделирования по детерминированным закономерностям № Высота H, м Сырая трава Сухая трава Масса влаги Влажность травы , г ε, г Δ, % , г ε, г Δ, % ,г ε, г Δ, % , % ε, г Δ, % 1 2,14 245 42,81 17,47 90 -0,35 -0,39 155 37,30 24,07 172,22 25,24 14,65 2 2,01 190 -31,59 -16,62 80 -10,46 -13,08 110 -19,38 -17,61 137,50 -6,71 -4,88 3 1,92 180 -43,17 -23,98 70 -20,23 -28,90 110 -17,80 -16,19 157,14 22,74 14,47 4 2,32 140 -13,59 -9,70 50 -0,29 -0,58 90 4,79 5,32 180,00 51,93 28,85 5 2,07 170 -44,92 -26,42 65 -25,58 -39,35 105 -20,80 -19,81 161,54 14,22 8,81 6 1,25 155 11,15 7,20 55 -34,23 -62,24 100 29,65 29,65 181,82 85,74 47,16 7 1,10 175 -23,42 -13,38 70 -19,15 -27,36 105 -6,85 -6,53 150,00 27,66 18,44 8 1,07 200 -15,42 -7,71 100 10,86 10,86 100 -19,74 -19,74 100,00 -28,77 -28,77 9 1,03 260 18,11 6,97 ПО 20,88 18,98 150 20,52 13,68 136,36 -1,58 -1,16 10 1,15 190 15,09 7,94 100 10,82 10,82 90 -7,95 -8,83 90,00 -22,48 -24,98 11 1,32 130 -3,40 -2,61 90 0,71 0,79 40 -14,97 -37,42 44,44 -43,11 -97,00 12 1,50 140 -2,55 -1,82 95 5,54 5,83 45 -4,19 -9,32 47,37 -32,49 -68,59 13 1,84 240 24,01 10,00 100 9,96 9,96 140 20,85 14,89 140,00 18,00 12,86 14 2,00 235 12,73 5,42 85 -5,44 -6,40 150 20,37 13,58 176,47 33,06 18,74 15 2,14 240 37,81 15,75 100 9,65 9,65 140 22,30 15,93 140,00 -6,98 -4,99 16 1,99 260 37,17 14,29 140 49,59 35,42 120 -9,77 -8,14 85,71 -56,82 -66,29 17 2,23 130 -49,86 -38,35 80 -6,20 -7,75 50 -52,78 -105,56 62,50 -77,93 -124,68 18 2,26 200 28,61 14,31 85 3,91 4,60 115 17,91 15,57 135,29 -1,58 -1,17

Асимметричные вейвлет-сигналы. Далее рассмотрим возможность обобщения закономерности с волновыми составляющими. Мы придерживаемся концепции Декарта о необходимости применении алгебраического уравнения общего вида напрямую как конечного математического решения неизвестных интегральных уравнений.

Для обобщения был предложен новый класс волновых функций.

Сигнал - это материальный носитель информации. А информация нами понимается как мера взаимодействия. Сигнал может генерироваться, но его прием не обязателен. Сигналом может быть любой физический процесс или его часть. В нашем примере это сигналы от травяного покрова в виде волновых закономерностей. Получается, что изменение множества неизвестных сигналов давно известно, например, через ряды гидрометеорологических измерений во многих точках планеты растительного покрова. Однако до сих пор не получены их статистические модели.

Тогда любое уравнение можем записать как вейвлет-сигнал вида

, ,

где А_i - амплитуда (половина) вейвлета (ось y),

p_i - полупериод колебания (ось x),

a ₁…a ₈ - параметры модели (2), получаемые после идентификации по статистическим данным измерений,

i - номер составляющей в общей модели (2),

n - количество детерминированных и волновых составляющих.

По формуле (2) с двумя фундаментальными физическими постоянными е (число Непера или число времени) и π (число Архимеда или число пространства) образуется изнутри изучаемого явления и/или процесса квантованный вейвлет-сигнал. Понятие вейвлет-сигнала позволяет абстрагироваться от физического смысла самих статистических рядов и рассматривать только их аддитивное разложение по колебательным возмущениям.

Параметры формулы (2) вейвлет-сигналов записываем в компактной матричной форме в таблицу 6.

Таблица 6 Составляющие вейвлетов № i Амплитуда колебания Полупериод и сдвиг колебания Коэфф. коррел. a 1i a 2i a 3i a 4i a 5i a 6i a 7i a 8i Ранговое распределение высоты пробной площадки над урезом воды малой реки (фиг.6) 1 1,03400 0 -0,14740 0,61898 0 0 0 0   2 0,18769 2,18245 0,61000 0,96184 5,51187 2,33418е-5 3,93148 -1,22993 0,9995 3 0,14486 0,53574 0,050157 1,88550 5,10520 -0,35641 0,99127 -3,21648   4 -4,65042е-12 11,95492 0,35913 1,21791 2,11176 0,0022683 1,75803 2,68081 0,8744 Влияние высоты над урезом воды на сырую массу пробы травы пойменного луга 1 7,91496е8 0 14,91797 0,20780 0 0 0 0 0,9990 2 1,21694е5 20,47299 11,58527 1,09938 0 0 0 0 3 2,68598е7 66,64892 28,17210 1,06558 0,041704 0,0050774 1,25466 2,31705 4 0,049560 21,08455 21,51251 0,78408 0,049560 0,0016258 6,30868 5,75981 5 14,21265 13,15404 5,71483 1 0,0098048 -2,18745е-8 1 -6,30380е-6 0,4465 6 3,19995е10 92,45022 43,97899 1 0,019976 0 0 0,013020 0,4313 7 1,95231е10 60,74484 32,53157 1 0,14259 0 0 -4,89261 0,5020 Влияние высоты над урезом воды на массу влаги у проб травы пойменного луга 1 239,96810 0 0,35355 6,32855 0 0 0 0 0,9711 2 1,82039е8 34,61357 20,20483 0,91867 0 0 0 0 3 -15,40677 0 -3,16989е-5 13,18394 0,18072 -0,031055 0,94751 4,01957 4 4,07269е8 22,17953 17,25708 0,92345 0,16974 -0,0032831 2,07031 5,16983 5 36,30792 0 1,12918 1,00340 0,019611 0 0 -0,10611 0,4781 6 2,71642 0,98469 0,00019027 10,44085 0,069520 0,0028392 1,13035 5,79291 0,2624 7 -0,93754 3,54754 0,014634 6,24571 1,51290 -0,81485 0,40942 -5,83434 0,2316 Влияние высоты над урезом воды на массу сухой пробы травы пойменного луга 1 92,79618 0 0,00096635 4,13118 0 0 0 0 0,7201 2 -1,63358е-18 53,03151 0 0 0 0 0 0 3 20,70746 3,04178 0,00073183 12,05668 0,0034046 0,017316 0,82763 2,59443

Самое примечательное в этой таблице доказательство волновой природы ландшафта или, что точнее, рельефа. Из четырех составляющих рангового распределения три являются вейвлет-сигналами. При ранге R=0, или же на высоте H₀=1,03 м, остается только первая составялющая в ивде закона экспоненциального роста, а три волны возмущения приобретают нулевые значения. Начальный полупериод колебательного возмущения равен по номерам волн, соответственно: 2×5,51187≈11,02 ранга; 10,21 и 4,22.

По данным из таблицы 7, в среднем на 16 рангов приходится перепад высоты 2,32-1,03=1,29 м, тогда на один ранг приходится высота в 129/16=8,06 см, тогда по трем волновым возмущениям начальный полупериод колебания в среднем будет равен 8,06×11,02=88,8, а также 82,29 и 34,01 см.

В таблице 7 даны оценки абсолютной и относительной погрешности у моделей, параметры которых даны в таблице 6.

Таблица 7 Оценка относительной погрешности моделирования по волновым закономерностям Распределение высоты Влияние высоты пробы над поверхностью реки Ранг R Высота , м По модели Высота H, м Сырая трава Сухая трава Масса влаги ε, м Δ, % , г ε, г Δ, % , г ε, г Δ, % , г ε, г Δ, % 0 1,03 -0,004 -0,39 2,14 245 2,50 1,02 90 -0,06 -0,07 155 6,36 4,10 1 1,07 -0,003 -0,28 2,01 190 -1,91 -1,01 80 -16,70 -20,87 110 -10,24 -9,31 2 1,10 0,001 0,10 1,92 180 -0,30 -0,17 70 -1,63 -2,32 110 -0,70 -0,64 3 1,15 -0,013 -1,15 2,32 140 0,02 0,02 50 -0,53 -1,07 90 -2,37 -2,63 4 1,25 -0,002 -0,17 2,07 170 0,21 0,12 65 -27,00 -41,54 105 -0,11 -0,11 5 1,32 -0,001 -0,11 1,25 155 -0,50 -0,32 55 -8,41 -15,29 100 -0,61 -0,61 6 1,5 -0,005 -0,35 1,10 175 -0,05 -0,03 70 2,07 2,96 105 4,16 3,96 7 1,84 0,009 0,47 1,07 200 -0,43 -0,22 100 2,73 2,73 100 -3,65 -3,65 8 1,92 -0,011 -0,55 1,03 260 0,75 0,29 110 -3,63 -3,30 150 2,42 1,62 9 1,99 -0,004 -0,22 1,15 190 -0,25 -0,13 100 5,80 5,80 90 -2,94 -3,26 10 2,00 0,006 0,32 1,32 130 0,52 0,40 90 -12,58 -13,98 40 1,95 4,89 11 2,01 -0,006 -0,28 1,50 140 0,00 0,00 95 8,27 8,71 45 -0,76 -1,69 12 2,07 0,008 0,38 1,84 240 -0,88 -0,37 100 10,67 10,67 140 -0,68 -0,49 13 2,14 -0,003 -0,13 2,00 235 2,40 1,02 85 -11,77 -13,85 150 19,83 13,22 13 2,14 -0,003 -0,13 2,14 240 -2,50 -1,04 100 9,94 9,94 140 -8,64 -6,17 14 2,23 0,011 0,51 1,99 260 -2,10 -0,81 140 43,77 31,27 120 -10,62 -8,85 15 2,26 -0,007 -0,32 2,23 130 -0,47 -0,36 80 -5,53 -6,91 50 -1,34 -2,67 16 2,32 0,005 0,24 2,26 200 1,93 0,97 85 4,59 5,40 115 0,99 0,86

Из данных таблицы 7 видно, что максимальная относительная погрешность статистического моделирования волновой биотехнической функцией равна всего 1,04% для массы сырой травяной пробы.

Тогда уравнение (2) можем записать в виде

, ,

где m - расчетная масса пробы сырой травы, г,

m_i - масса по составляющим уравнения, г,

H - высота центра пробной площадки над урезом водной поверхности малой реки в створе измерений по центру одной пробной площадки, м,

A_i - амплитуда (половина) колебания массы сырой травы, г,

p_i - полупериод колебания высоты над урезом воды, м,

a ₁…a ₈ - параметры уравнения, получаемые после идентификации по статистическим данным измерений массы сырой пробы травы,

i - номер составляющей общего уравнения,

n - количество детерминированных и волновых составляющих.

Для высоты пробной площадки над урезом воды максимальная относительная погрешность также мала и равна 1,15%.

Таким образом, погрешность измерений нивелиром с ценой деления 1 см (погрешность измерений ±0,5 см) вполне оказалось достаточной для получения волновых ранговых распределений. Но при этом выясняется, что уровень водной поверхности малой реки в течение вегетационного периода изменяется на десятки сантиметров.

Поэтому в дальнейших экспериментах вполне возможно засечь такие изменения и изучать влияние перепада высоты в динамике на урожайность травы по сырой массе.

В момент проведения наших измерений пока наблюдается летняя межень малой реки, то есть самый минимальный уровень и тем самым максимальный перепад высот между рекой и пробными площадками. Мы надеемся, что данное научно-техническое решение станет пионерной и основой для изучения динамики поведения травяных и травянистых растений в вегетационный период.

По всем 18 пробным площадкам оказалось высоко адекватным влияние высоты расположения пробных площадок над поверхностью речной воды на изменение также массы влаги (Δ_max=13,22%) в срезанной пробе. Это своего рода урожайность по воде, содержащейся в растениях.

Тогда дальнейшими исследованиями можно найти наилучшие условия для водного питания растений.

А вот по сухому сену максимальная относительная погрешность равна 41,54%. Допускаемый предел погрешности моделирования в сельском хозяйстве равен 30% и этот предел превышают всего два значения (или 200/18=11,11%). Мы считаем, что по сену такие большие погрешности наблюдаются из-за сильного антропогенного влияния на пойменной луг.

Например, на фигуре 1 видно, что много линий временных дорог на территории выделенного участка. Поэтому баланс биогенных веществ в сушеной траве нарушается.

Предлагаемое изобретение повышает функциональные возможности способа за счет более подробного ландшафтного измерения высоты над урезом воды, причем без привязки к расстояниям по створам и вдоль реки. Кроме того, появляется возможность выделение делянок с одинаковыми высотами и на них проводить испытания для выявления закономерностей влияния других видов экологических факторов.

Кроме того, способ упрощается по исполнению, так как не требуется измерять расстояния вдоль и поперек реки, и это дает возможность ежегодного экологического мониторинга разных участков пойменного луга, подвергаемого тем или иным антропогенным воздействиям. Главное - это изменение высоты рельефа.

Способ упрощается также из-за того, что не требуется сушить пробы травы и это позволяет сразу же после срезки взвесить пробы на переносных весах и тут же эту пробу после взвешивания выбросить. Поэтому останется только один важнейший показатель - масса сырой пробы в зависимости от высоты пробной площадки над урезом воды. Такое упрощение значительно расширяет возможности применения способа на гораздо большее количество пробных площадок, намечаемых вдоль реки на длинные участки малой реки. Но при этом требуется учесть и падение реки на этом участке малой реки.