Section outline

  • Collapse Expand

    General

    Collapse all Expand all

    Викладач: к. б. н., доц. Воронова Наталія Валентинівна 

    Кафедра: загальної та прикладної екології і зоології, 3й корп. ЗНУ, ауд. 212 (1й поверх), лабораторні роботи відбуваються в 209 аудиторії. лекції в 306.

    Email: 180270@ukr.net, 180270n@gmail.com, voronovanv@st.znu.edu.ua- корпоративна ЗНУ

    Телефон: (061) 228-76-36 (кафедра), 228-75-78 (деканат), м.+380504565313

    Воронова Наталія Валентинівна - ЗНУ (znu.edu.ua)

    https://us02web.zoom.us/j/5219701802?pwd=YVFlRWxNRWVSektXeHdIMUNvcTNQQT09 

    Ідентифікатор конференції : 521 970 1802 

    Код доступу: 2023

    Інформація про альтернативного викладача: Горбань Валерій Віталійович, доц. кафедри загальної та прикладної екології і зоології, к.б.н.


  • Collapse Expand

    Інформація



  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 1

    • Лекція 1 URL

      ТЕМА 1.  Фізичні основи режиму агроекосистем. Математичне моделювання та оптимізація.

       

    • Презентація лекції 1 File
    • Звіт з теми 1 Assignment

      1. Радіаційний баланс та його інженерна корекція. Проаналізуйте роль та компоненти радіаційного балансу поверхні ґрунту. Яким чином зміна алібедо (наприклад, через мульчування або використання покривних матеріалів) може бути інтегрована в автоматизовану систему терморегулювання як механізм пасивного керування тепловим режимом?

      2. Тепло- та масовіддача в ґрунтово-рослинному покриві. Опишіть взаємозв'язок між процесами транспірації (масовіддача) та конвективного теплообміну в приземному шарі повітря. Як кількісно оцінити вплив швидкості вітру та вологості повітря на ефективність випаровування як механізму природної терморегуляції агроекосистеми?

      3. Гідротермічний режим та фазові переходи. Поясніть, як енергія фазових переходів води (випаровування/конденсація) впливає на добову амплітуду температури ґрунту. Запропонуйте інженерні рішення, що використовують цей принцип для пом'якшення теплового стресу рослин в умовах посухи.

      4. Водний потенціал ґрунту та доступність вологи. Розкрийте концепцію водного потенціалу ґрунту та його критичні значення для сільськогосподарських культур. Яким чином дані з датчиків водного потенціалу (тензіометри, TDR/FDR-сенсори) використовуються для розробки оптимізованих алгоритмів прецизійного зрошення?

      5. Модель Пенмана-Монтейта в контексті автоматизації. Як рівняння Пенмана-Монтейта може бути адаптоване та інтегроване в систему автоматичного керування зрошенням? Вкажіть, які фізичні параметри моделі є найбільш чутливими до помилок вимірювання в польових умовах та як це врахувати в моделі оптимізації.

      6. Моделювання стійкості агроекосистем. Запропонуйте математичний підхід до кількісної оцінки стійкості агроекосистеми до кліматичних викликів, інтегруючи показники водоспоживання, температурного стресу та продуктивності (наприклад, через індекси стійкості).

      7. Оптимізаційні задачі керування. Сформулюйте задачу оптимізації для системи автоматизованого терморегулювання, де цільовою функцією є максимізація чистого прибутку, а обмеженнями — ліміти водних ресурсів, енергоспоживання системи та мінімально/максимально допустимі температури ґрунту/повітря.

      8. Калібрування та валідація моделей. Які методи калібрування та валідації слід застосовувати для біофізичних моделей, що описують зв'язок між параметрами мікроклімату та фізіологічною реакцією рослини? Обґрунтуйте вибір критеріїв адекватності (наприклад, RMSE, $R^2$) для Вашого дослідження.

      9. Системна динаміка та зворотний зв'язок. Опишіть, як модель системної динаміки може бути використана для імітації довгострокового впливу автоматизованого терморегулювання на динаміку ґрунтових процесів (наприклад, вміст органічної речовини та мікробіом). Як врахувати зворотний зв'язок між рослиною та системою керування?

      10. Імітаційне моделювання та прийняття рішень. Чому імітаційне моделювання є важливим інструментом для оцінки ризиків у сільському господарстві в умовах кліматичної невизначеності? Як результати моделювання можна трансформувати у стратегії прийняття рішень для фермерів щодо вибору оптимального моменту активації системи терморегулювання?

  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 2

    • Лекція 2 URL

      Тема: Тепловий баланс ґрунту та приземного шару повітря



    • Презентація лекції 2 File
    • Звіт з теми 2 Assignment

      1. Формула теплового балансу та ключові потоки. Наведіть розгорнуте рівняння теплового балансу поверхні ґрунту ($\Delta Q$). Проаналізуйте, як зміна частки потоку тепла в ґрунт ($Q_G$) та турбулентного потоку тепла ($Q_H$) впливає на ефективність автоматизованого терморегулювання в умовах надмірного сонячного випромінювання.

      2. Довгохвильове випромінювання та ефект парника. Оцініть роль довгохвильового випромінювання ґрунту та атмосфери у формуванні нічного температурного режиму. Як використання затінюючих або покривних матеріалів може керувати цим потоком для запобігання заморозкам або нічному перегріву агроекосистеми?

      3. Теплоємність ґрунту та вміст вологи. Поясніть залежність об'ємної теплоємності ґрунту від його вологості. Яким чином цією залежністю можна скористатися для моделювання інерційності системи терморегулювання при розрахунку графіків зволоження?

      4. Енергія фазових переходів (випаровування/конденсація). Проаналізуйте, яким чином прихована теплота евапотранспірації ($Q_E$) є ключовим природним механізмом скидання надлишкового тепла агроекосистемою. Як інженерно підвищити цей потік ($Q_E$) для ефективного охолодження рослин у періоди теплового стресу?

      5. Вплив рослинного покриву на турбулентність. Як змінюється аеродинамічний опір та інтенсивність турбулентного обміну теплом ($Q_H$) між рослинним покривом та атмосферою зі збільшенням площі листової поверхні (LAI)? Як це врахувати при проектуванні примусової вентиляції у закритих або частково закритих агроекосистемах?

      6. Альбедо та управління поглинанням енергії. Охарактеризуйте діапазон альбедо типових ґрунтів і сільськогосподарських культур. Обґрунтуйте економічну та екологічну доцільність використання матеріалів із високим альбедо (наприклад, вапнування, спеціальне мульчування) як інструмента пасивного терморегулювання.

      7. Глибинне проникнення тепла. Опишіть фізичний механізм теплопровідності в ґрунті (закон Фур'є). Як знання коефіцієнта теплової дифузії ґрунту використовується для моделювання глибини промерзання/прогрівання та оптимізації розміщення теплообмінних елементів (наприклад, підземного обігріву)?

      8. Боуен-коефіцієнт та стрес. Поясніть значення коефіцієнта Боуена ($B = Q_H / Q_E$) як індикатора розподілу енергії. Як зміна цього коефіцієнта (його зростання) свідчить про посилення водного та теплового стресу в агроекосистемі, і як ці дані можна використовувати для тригерів автоматизації?

      9. Моделювання теплового балансу в умовах кліматичних викликів. Запропонуйте спрощену математичну модель, яка дозволяє прогнозувати температуру повітря в приземному шарі на основі прогнозованих змін вхідної сонячної радіації та вологості ґрунту (кліматичні виклики).

      10. Енергетична ефективність регулювання. Сформулюйте критерій енергетичної ефективності роботи системи автоматизованого терморегулювання агроекосистеми. Яким чином мінімізувати необхідні енергетичні витрати ($E$) при забезпеченні заданого діапазону температур, враховуючи природні потоки тепла?

  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 3

    • Лекція 3 URL

      Тема: Гідрологія ґрунту та транспірація

    • Звіт з теми 3 Assignment

      1.Транспіраційний коефіцієнт та водний дефіцит. Визначте поняття транспіраційного коефіцієнта та поясніть його залежність від умов навколишнього середовища (температура, вологість, освітленість). Як прогнозоване збільшення цього коефіцієнта внаслідок кліматичних викликів (теплові хвилі) впливає на необхідний обсяг зрошення, і як ці дані інтегруються в алгоритми автоматизованого керування водним режимом?

      2. Закон Дарсі та рух вологи в ґрунті. Проаналізуйте застосування закону Дарсі для опису руху вологи в ненасичених ґрунтах у контексті оптимізації поливу. Як зміни гідравлічної провідності ґрунту (наприклад, через його ущільнення або структуру) впливають на ефективність проникнення води та формування водного запасу в кореневмісному шарі?

      3. Потенціал ґрунтової води та функція водопоглинання. Опишіть зв'язок між матричним потенціалом ґрунтової води та інтенсивністю водопоглинання кореневою системою рослин. Яким чином дані з датчиків, що вимірюють цей потенціал (наприклад, тензіометрів), можуть слугувати тригером для запуску автоматизованого зрошення з метою запобігання незворотному в'яненню рослин?

      4. Стійкість до посухи та регулювання продихів. Обговоріть фізіологічний механізм регулювання продихів у відповідь на водний стрес. Як автоматизоване терморегулювання (наприклад, шляхом підвищення вологості повітря або зниження температури) може вплинути на функцію продихів, сприяючи зменшенню транспіраційних втрат та підвищенню стійкості культури?

      5. Еколого-інженерні рішення для мінімізації втрат. Запропонуйте та обґрунтуйте еколого-інженерні рішення (крім крапельного зрошення), спрямовані на мінімізацію непродуктивних втрат вологи з поверхні ґрунту (наприклад, випаровування). Як ці рішення можуть бути інтегровані в загальну концепцію підвищення стійкості агроекосистем до дефіциту водних ресурсів?

  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 4

    • Лекція 4 URL

      Тема: Кліматичні виклики та водний стрес

    • Звіт з теми 4 Assignment

      1. Прогнозування та оцінка теплових хвиль. Визначте екологічні критерії теплової хвилі (за тривалістю та перевищенням середніх температур) у контексті агроекосистем. Як коректно спрогнозувати початок і тривалість водного стресу, спричиненого тепловою хвилею, використовуючи лише дані дистанційного зондування (наприклад, індекс NDVI або температурні індекси) для активації автоматизованого терморегулювання?

      2. Комбінований стрес (посуха та тепло). Проаналізуйте синергетичний ефект водного стресу (посухи) та теплового стресу на фізіологію рослин (наприклад, окислювальний стрес, зниження фотосинтезу). Які автоматизовані стратегії є найбільш ефективними для одночасного пом'якшення обох типів стресу, і чому просте збільшення поливу може бути недостатнім або навіть контрпродуктивним?

      3. Індекси стійкості до кліматичних викликів. Запропонуйте інтегрований індекс стійкості агроекосистеми до кліматичних викликів, який кількісно враховує реакцію системи на впровадження автоматизованого регулювання. Які біометричні та екофізіологічні показники (крім врожайності) є найбільш інформативними для цього індексу?

      4. Адаптаційні стратегії рослин та інженерне втручання. Опишіть ключові морфологічні та фізіологічні адаптації рослин до хронічного водного дефіциту. Як інженерне втручання (терморегулювання та оптимізація поливу) може підтримувати ці природні адаптаційні механізми, не порушуючи при цьому загальну стійкість екосистеми?

      5. Енергетичні витрати та кліматична адаптація. Сформулюйте економіко-екологічний критерій, який дозволяє оцінити доцільність використання автоматизованого терморегулювання як заходу кліматичної адаптації. Чи завжди енергетичні витрати на регулювання виправдані, враховуючи прогнозоване зниження продуктивності внаслідок водного стресу, спричиненого зміною клімату?

  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 5

    • Лекція 5 URL

      Тема: Системи активного терморегулювання



    • Звіт з теми 5 Assignment

      1. Принципи автоматизованого керування в агроекології. Проаналізуйте різницю між системами активного терморегулювання із замкненим та розімкненим контуром керування в контексті Вашого дослідження. Обґрунтуйте, чому для оптимізації водоспоживання та підвищення стійкості критично важливо використовувати системи із замкненим контуром, що включають зворотний зв'язок від фізіологічних показників рослини (наприклад, температура листя).

      2. Технології зниження температури та їхній вплив на вологість. Опишіть механізм дії двох основних систем активного охолодження (наприклад, туманоутворення та примусова вентиляція). Яким чином використання туманоутворення як методу терморегулювання може вплинути на водний потенціал ґрунту та ефективність транспірації, і чи може це призвести до вторинних проблем (наприклад, підвищення ризику грибкових захворювань)?

      3. Енергоефективність активного регулювання. Сформулюйте модель розрахунку енергоефективності системи активного терморегулювання (наприклад, системи обігріву ґрунту або повітря) за умови підтримки заданого температурного режиму в періоди кліматичних викликів. Як можна оптимізувати графік роботи системи, інтегруючи прогнози погоди та показники теплового балансу агроекосистеми?

      4. Інтеграція терморегулювання та зрошення. Обговоріть архітектуру комплексної автоматизованої системи, яка синхронізує роботу терморегулюючих компонентів (тепло, холод) та зрошувальних систем. Наведіть приклад логічного алгоритму, де дані про активацію охолодження (наприклад, туманом) автоматично коригують графік зрошення з метою запобігання надмірному зволоженню кореневої зони.

      5. Вплив активного регулювання на стійкість. Яким чином постійне використання активних систем терморегулювання може вплинути на адаптаційну здатність культури до майбутніх кліматичних викликів (феномен "захисту від стресу")? Обґрунтуйте екологічну доцільність застосування активного регулювання лише у критичні фази росту рослин для збереження їхньої природної стійкості.

    • Лекція 6 URL

      Тема: Прецизійне зрошення

    • Звіт з теми 6 Assignment

      1.Сенсори та тригери прецизійного зрошення. Обґрунтуйте, які типи ґрунтових сенсорів (наприклад, TDR/FDR, тензіометри, датчики вмісту води) є найбільш інформативними для використання в автоматизованих системах прецизійного зрошення в умовах посухи. Як інтеграція цих даних із показниками теплового стресу (наприклад, індекс температури рослинного покриву, CWSI) може підвищити точність активації поливу?

      2. Програмування норм поливу та коренева зона. Проаналізуйте методику розрахунку норми поливу (витрати води) для системи прецизійного зрошення, що забезпечує лише необхідний обсяг вологи у кореневмісному шарі. Яким чином надмірне зрошення (перезволоження) може негативно вплинути на тепловий режим ґрунту та загальну стійкість культури до абіотичних стресів?

      3. Енергоефективність та вибір обладнання. Порівняйте енергоефективність систем крапельного зрошення та мікродощування як елементів прецизійного зрошення. В яких кліматичних умовах та для яких цілей (зволоження ґрунту проти терморегуляції приземного шару повітря) слід віддавати перевагу одному типу системи над іншим, зважаючи на мінімізацію непродуктивних втрат?

      4. Фертигація та біодоступність елементів. Поясніть, як прецизійне зрошення (зокрема, фертигація) впливає на біодоступність та мобільність ключових поживних елементів (наприклад, нітратів) у ґрунті. Яким чином неоптимальний водний режим, спричинений кліматичними викликами, може погіршити ефективність фертигації і, як наслідок, знизити стійкість рослин?Вплив на мікроклімат та мінімізація втрат:

      5. Яким чином технології прецизійного зрошення (наприклад, підґрунтове крапельне зрошення, SDI) сприяють мінімізації евапотранспіраційних втрат ($Q_E$) порівняно з традиційними методами? 

  • Collapse Expand

    Змістовий модуль 6

    • Лекція 7 URL

      Тема: Еко-інженерні меліорації



    • Звіт з теми 7 Assignment

      1. Яким чином біоінженерні методи меліорації, зокрема застосування ризосферних мікроорганізмів, сприяють відновленню деградованих ґрунтів у контексті стійкості до кліматичних змін, і які кількісні показники ефективності можна запропонувати для оцінки довготривалих ефектів?

      2. Як інтеграція геосинтетичних матеріалів у гідротехнічні меліоративні системи впливає на гідрологічний баланс агроландшафтів, враховуючи моделі фільтрації та потенційні ризики вторинного засолення?

      3. У чому полягають теоретичні засади застосування фітотехнологій для еко-інженерної рекультивації техногенно забруднених територій, і які молекулярні механізми толерантності гіперакумуляторів рослин до важких металів лежать в основі їхньої ефективності?

      4. Як моделювання екосистемних послуг у рамках еко-інженерних меліорацій дозволяє оптимізувати проєктування дренажно-зволожувальних систем для підвищення біорізноманіття в агроценозах, з урахуванням динаміки вуглецевого циклу?

      5. Які критерії еколого-економічної оцінки доцільності впровадження нанотехнологій у процеси біоремедіації заболочених земель, і як вони корелюють із принципами циркулярної економіки в контексті сталого розвитку?

    • Лекція 8 URL

      Тема: Сенсорні мережі та IoT (Інтернет речей) в агрономії



    • Звіт з теми 8 Assignment

      1. Яким чином архітектура розподілених сенсорних мереж на основі LoRaWAN забезпечує енергетичну автономність моніторингу мікроклімату в агроценозах, і які алгоритми машинного навчання дозволяють прогнозувати енергоспоживання вузлів з урахуванням стохастичної мінливості сонячної радіації?

      2. Як інтеграція мультиспектральних сенсорів IoT з моделями цифрових двійників ґрунту впливає на точність оцінки вологості та нутрієнтного статусу в системах точного землеробства, враховуючи просторову автокореляцію даних і похибки калібрування?

      3. У чому полягають теоретичні основи застосування edge-computing у бездротових сенсорних мережах для реального часу обробки даних про фітопатогени, і які протоколи стиснення часових рядів забезпечують мінімізацію латентності при передачі на хмарні платформи?

      4. Як топологічна оптимізація сенсорних мереж IoT з урахуванням графових моделей дозволяє максимізувати покриття агроландшафтів при обмеженій щільності вузлів, і які метрики стійкості до відмов враховуються в контексті кібер-фізичних систем агрономії?

      5. Які критерії кібербезпеки та конфіденційності даних у IoT-системах моніторингу врожайності корелюють із стандартами GDPR, і як блокчейн-технології можуть бути інтегровані для забезпечення traceability ланцюгів постачання в точному землеробстві?

  • Collapse Expand

    Підсумковий контроль