Сара Мекан, Эдвард Бергесс и Реамонн Фиали; программа ACP
Irish Agricultural Catchments Programme
Приложения на базе ArcGIS способствуют реализации ирландской Программы национальных действий и соблюдению требований европейского законодательства по поддержанию высокого качества воды. Инновационный подход с использованием метода мультикритериального анализа для принятия решений обеспечивает оптимальный выбор репрезентативных водосборов. ГИС помогает давать фермерам дифференцированные рекомендации для различных участков полей и пастбищ и переводить их деятельность в русло точного земледелия.
Расположенная на западной оконечности Европы и испытывающая мягкое воздействие Атлантического океана, Ирландия является счастливой обладательницей умеренного морского климата, идеально подходящего для ведения лугопастбищного хозяйства. Благодаря климатическим условиям, обеспечивающим почти круглогодичный вегетационный период, молочное и мясное пастбищное животноводство являются главными секторами сельского хозяйства Ирландии. Из 6,9 млн. гектаров сухопутной площади страны 4,2 млн. гектаров имеют сельскохозяйственное назначение. Поскольку 80 процентов сельскохозяйственных площадей отведены под пастбища и посевы злаковых трав для производства сена и силоса, 10 процентов занимают неокультуренные пастбища и еще 10 процентов – пашни, то не удивительно, что Ирландию называют «Изумрудным островом».
Вместе с тем, как и в других странах, вопросы повышения производительности сельского хозяйства при одновременном обеспечении его устойчивого развития, остаются главными для всех игроков отрасли. Ирландская программа поддержки сельскохозяйственных водосборов (Agricultural Catchments Programme; ACP) направлена на решение, в сотрудничестве с фермерами и другими заинтересованными сторонами, задач поддержки производящего сельского хозяйства и, одновременно, водоохраны. Она финансируется Министерством сельского хозяйства, рыболовства и продовольствия Ирландии и осуществляется Советом по развитию сельского хозяйства и продовольствию (Teagasc). При поддержке своих коллег на местном и национальном уровне, сотрудники ACP активно консультируют фермеров в районах небольших речных водосборов (500 – 2900 гектаров), помогая им повышать рентабельность их хозяйств и выполнять требования Программы национальных действий (National Action Programme), принятой несколько лет назад во исполнение Нитратной директивы Евросоюза (European Union Nitrates Directive). Эта директива имеет целью поддержание высокого качества воды в Европе за счет мер по предотвращению загрязнения поверхностных и грунтовых вод нитратами и фосфором сельскохозяйственного происхождения. Важную роль в разработке и реализации этой программы сыграли приложения на базе ПО ArcGIS.
Приложение выбора водосборов для мониторинга
Потребность в приложении для выбора репрезентативных водосборов была обусловлена рекомендаций ЕС о сосредоточении мониторинговых работ в «зонах интенсивного земледелия и животноводства…с повышенной концентрацией нитратов…рядом с существующими или прогнозируемыми зонами эвтрофикации…со схожими землепользованием, почвами или сельскохозяйственными практиками». Для выполнения этой задачи требовалось разработать метод для выбора небольших водосборов (от 400 до 1200 гектаров) с интенсивным ведением сельского хозяйства, преимущественно пастбищного или ирригационного, с рисками высоких потерь фосфора или азота в водах орошающих рек.
Учитывая пространственный и экологический контекст задачи выбора подходящих водосборов, ГИС-методология имела очевидное преимущество. Teagasc уже долгое время использовал продукты Esri и вложил немалые средства в ПО ArcGIS Desktop и ArcGIS Server для работы своей группы пространственного анализа, поэтому базу геоданных решили создать с помощью ArcInfo. Эта многопользовательская база геоданных была нужна для хранения и организации наборов данных, предоставленных различными правительственными департаментами и ведомствами. В качестве производственного решения базы данных была выбрана платформа Oracle.
Индексная карта почв, показывающая потребность в извести и концентрации фосфора и калия на участках, где были взяты пробы почвы.
Процесс выбора водосборов начался с изучения персоналом группы пространственного анализа набора данных границ национальных водосборов, содержащего около 6000 водосборов. Был создан список из 1300 небольших речных водосборов-кандидатов, упорядоченных по размеру и стоку. Эти водосборы разделили на две большие категории – пастбища и ирригационное земледелие. Анализируемые наборы данных включали следующие тематические слои: землепользование, лесное хозяйство, торфяники, плотность поголовья скота, несельскохозяйственное землепользование, орошаемые посевные площади, площади, занятые кормовыми культурами, плотность жилой застройки, геология и типы почвы. В анализе использовался метод мультикритериального принятия решения (МПР; от англ. Multiple Criteria Decision Analysis (MCDA)) с использованием штатных инструментов атрибутивной таблицы, имеющихся в среде обработки ArcInfo.
После подробных обсуждений и консультаций с привлечением ученых, политиков и фермеров, было сформулировано несколько критериев выбора, получивших веса, отражающие их важность для определения соответствия водосборов требованиям мониторинга по программе ACP. Внутренние атрибутивные таблицы каждого из этих входных параметров были пересчитаны в подходящие диапазоны значений, которые были в свою очередь ранжированы по степени соответствия требованиям. Взвешенным суммированием были найдены наиболее подходящие водосборы. Для моделирования риска вымывания азота или фосфора из грунта в воду в каждом водосборе использовался инструментарий дополнительного модуля ArcGIS Spatial Analyst. В модели была реализована процедура оценки рисков, используемая при составлении официального отчета для Европейской Комиссии по Рамочной водной директиве ЕС. ACP получила в свое распоряжение самые подробные наборы данных национального масштаба и использует лучшую риск-модель в стране.
Модель базируется прежде всего на характеристиках водопроницаемости почв и гидрологии. В общем случае менее водопроницаемые почвы подвержены большему риску потери фосфора через поверхностный поток или сток, а почвы с более высокой водопроницаемостью имеют повышенный риск потери азота из-за просачивания сквозь грунт. Из 1300 первоначально выбранных водосборов-кандидатов был составлен шорт-лист из 50 наиболее подходящих водосборов в зонах орошаемых земель и пастбищ. Сотрудники ACP проинспектировали эти водосборы на месте, чтобы оценить их физическую пригодность для исследования. В результате для детального изучения были выбраны шесть водосборов — четыре использовались преимущественно под пастбища, а два имели высокую долю орошаемых земель. Было показано, что подход ГИС-МПР отлично подходит для решения задачи выбора, а его реализация в ArcGIS ArcInfo позволила эффективно работать с большим числом входных наборов данных с соблюдением всех требований к их обработке.
Представление результатов анализа почвы
После выбора водосборов для целей мониторинга ACP нужно было установить целевые градации уровня питательных веществ в почве для каждого водосбора. Для этого ACP провела полевую кампанию сбора проб для определения содержания питательных веществ в почве. Чтобы точно представить вариацию питательных веществ в водосборах, был применен метод сбора проб высокого разрешения (средняя площадь участка, представленного пробой, составила примерно два гектара). Эти данные высокого разрешения о содержании питательных веществ в почве облегчили подготовку точных планов управления содержанием питательных веществ для фермеров в зоне водосбора. Вместе с тем ACP опасалась, что фермеры сочтут эти планы слишком сложными для понимания из-за высокого уровня детализации и большого числа единиц земельного управления (целых полей и их участков). Чтобы облегчить работу с планами, ACP решила создать карты с удобочитаемыми надписями и цветовой кодировкой. Каждое поле и участок, представленный пробой, были оцифрованы и получили уникальный код. Коды участков, представленных пробами, были затем введены в Систему управления лабораторной информацией, наряду с соответствующим кодом пробы почвы. Это позволило установить обратную связь с результатами и создать «умные» карты. Для каждой фермы в водосборе теперь можно создать цветокодированные карты, маркированные уникальными номерами проб почвы.
Один из шести водосборов, выбранных для подробного изучения и мониторинга.
В ArcGIS можно легко создать карты, отображающие разными цветами каждый участок, чтобы показать требования к содержанию в почве фосфора, калия и извести для культур, планируемых к посадке. Набор карт для каждой фермы можно теперь распечатать даже быстрее, чем исходный отчет о результатах анализа проб почвы. Этот анализ помогает каждой ферме увеличить урожай и продуктивность путем целевого внесения питательных веществ для выполнения требований по данной культуре и минимизации утечки питательных веществ (и фактической потери ценного ресурса) в местные водоемы.
Наиболее приятным и перспективным моментом этой работы являются отзывы фермеров. Они находят карты очень информативными и легкими в использовании, что дает консультантам основание полагать, что управление внесением в почву питательных веществ на этих фермах реально будет более точным и продуманным. Эту технологию можно использовать для наложения многолетних результатов анализа проб почвы, чтобы увидеть, как менялись со временем плодородие почвы и количества вносимых питательных веществ. То есть вести постоянный мониторинг и на его основе оценивать риски и разрабатывать более детальные и обоснованные рекомендации для поддержки устойчивости фермерских хозяйств и всей отрасли.
Дополнительную информацию можно найти на веб-сайте Совета по развитию сельского хозяйства и продовольствию.
Об авторах. Сара Мекан (Sarah Mechan) – менеджер данных в ACP. Ее основная роль в проекте – разрабатывать и поддерживать систему управления информацией, чтобы обеспечить более эффективный сбор и интеграцию данных из разных источников. Эдвард Бергесс (Edward Burgess) консультирует фермеров в водосборах Кастлдокерелли Белликанью. Он помогает им соблюсти требования Программы национальных действий. Реамонн Фиали (Réamonn Fealy) входил в инициативную рабочую группу, предложившую учредить ACP, и именно он разработал описанную здесь процедуру выбора водосборов. Авторы хотели бы отметить ценный вклад в эту статью Дэйвида Уолла, почвоведа ACP, и Гера Шортла, программного менеджера.
