Головинов Е.Э. кандидатская диссертация

На правах рукописи

ГОЛОВИНОВ ЕВГЕНИЙ ЭДУАРДОВИЧ УДК 631.6

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛИВАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ Специальность: 06.01.02 «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Ю.П. Добрачёв

Москва – 2010

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................. 4 ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ НА КРУПНЫХ ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ... 10 1.1 Структура, состав и функции системы оперативного управления поливами .................................................................................................................... 12 1.2 Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений................ 18 1.3 Постановка оптимизационной задачи производства поливов сельскохозяйственных культур при оперативном управлении орошением ....... 26 ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................... 39 2.1 Объекты исследования ............................................................................... 40 2.2 Теоретические и экспериментальные методы исследований................. 43 2.3 Программное обеспечение ......................................................................... 47 ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИВОВ........................... 50 3.1 Гидравлическая модель закрытой оросительной сети............................ 52 3.2 Результаты сценарных исследований работы закрытой оросительной сети..................................................................................................... 62 3.3 Оценка достоверности расчетов по гидравлической модели................. 64 3.4 Расчет нормы обслуживания дождевальной техники в зависимости от технологических параметров полива ...................................................................... 65 2

3.5 Оценка эрозионных процессов при поливе дождеванием...................... 73 3.6 Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления ....... 75 ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ ПОЛИВОВ ................................................................................................................. 82 4.1 Варианты оперативного плана орошения. ............................................... 83 4.2 Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов....................................................................................................................... 86 4.3 Выходные документы системы управления поливами......................... 100 4.4 Эффективность предлагаемой системы оперативного управления поливами .................................................................................................................. 101 ВЫВОДЫ................................................................................................................ 106 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................... 109 ПРИЛОЖЕНИЯ .................................................................................................... 119

3

ВВЕДЕНИЕ Актуальность исследований. В последние годы возрос интерес сельхозпроизводителей к восстановлению и реконструкции оросительных систем и, соответственно, обеспечению их эффективной эксплуатации, во многом определяющей рациональное использование мелиорируемых земель. Системное рассмотрение и анализ основных путей повышения эффективности использования орошаемых земель позволяет сделать вывод о необходимости создания

новых

и

модернизации

существующих

систем

управления

орошением. Практическая реализация таких систем позволит обеспечить рациональное распределение оросительной воды по полям и культурам, назначение поливов сельскохозяйственных культур в зависимости от потребности растений с учетом технических возможностей оросительной сети и др. Функции систем управления орошением базируются на решении множества взаимосвязанных задач планирования и последующего управления водораспределением, в том числе путем согласования сроков и объемов подачи воды с работой поливной техники. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах можно разделить на два этапа: планирование

поливов

по

агрометеопараметрам

и

последующая

их

организационно-технологическая реализация. В эффективном использовании водных, технических, энергетических и трудовых ресурсов, оперативное управление играет важную роль, обеспечивая благоприятные условия для формирования

урожая

сельскохозяйственных

культур.

Разработка

информационных систем оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур, направленных на эффективное использование технических

средств

гидромелиоративной

системы,

рациональное

использование земельных, водных и трудовых ресурсов, является актуальной задачей.

4

Целью исследований является разработка моделей и расчетных схем системы

оперативного

сельскохозяйственных

управления

культур

на

производством

закрытой

поливов

оросительной

системе,

позволяющих оптимизировать организационно-технологические параметры исполнения

поливных

работ

с

учетом

технических

характеристик

оросительной сети, включая насосную станцию, распределительную сеть и поливную технику. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: — проведена оценка качества функционирования существующих систем оперативного

управления

поливами

и

выявлены

резервы

повышения

эффективности эксплуатации оросительных систем и поливной техники; — выполнен анализ существующих подходов к решению вопросов, связанных с формированием графика проведения поливных работ на закрытой оросительной системе, в том числе с использованием разработанных ранее информационных систем оперативного управления орошением; — разработана гидравлическая модель оросительной сети с произвольно подключенной

комбинацией

поливной

техники, проведены

сценарные

исследования и выполнена экспериментальная проверка их результатов на реальном объекте управления; — сформулирована и решена оптимизационная задача формирования графика работы поливной техники, обеспечивающего реализацию заданного режима орошения сельскохозяйственных культур с учетом гидромодуля оросительной системы, параметров насосной станции, распределительной сети, дождевальных машин и наличия трудовых ресурсов; — разработаны модели, схемы и алгоритмы для автоматизированного формирования графика полива и расчета технологических параметров работы дождевальных

машин

при

реализации

оперативного

плана

полива

сельскохозяйственных культур на оросительных системах закрытого типа; 5

— создан инструментарий системы управления производством поливов, позволяющий

в

оперативном

режиме

формировать

сценарий

функционирования оросительной сети на заданный период поливного цикла (7-14 суток). Объектом исследования являются крупные внутрихозяйственные оросительные системы, их структурные и гидравлические характеристики, поливная техника, организационно-технологические аспекты производства поливных работ. Предметом исследования является оперативная деятельность службы эксплуатации оросительной системы по назначению и производству поливов

сельскохозяйственных

культур,

а

также

функционирование

оросительной сети в поливной сезон. Методика исследований основана на обобщении и анализе проектной документации и отчетных материалов по эксплуатации оросительных систем, результатов отечественных и зарубежных исследований, связанных с разработкой

систем

управления

водораспределением

и

поливами,

моделированием оросительных систем с использованием программных средств, разработанных во ВНИИГиМ. В работе использовано современное математическое и программное обеспечение для разработки численных моделей, решения статистических и оптимизационных задач, обработки картографической информации. Личный вклад соискателя состоит в разработке имитационной гидравлической модели оросительной сети, теоретическом и методическом обосновании расчета гидравлических характеристик оросительной системы, включающей

насосную

станцию

и

водораспределительную

сеть

при

произвольной комбинации включения поливной техники, проведении полевых исследований, выполнении сценарных численных экспериментов по расчету оптимальных графиков полива сельскохозяйственных культур для сети с пассивными и активными элементами регулирования давления на гидрантах и участках распределительной сети. Выполнен анализ и обобщение результатов 6

исследований, которые представлены в форме информационной технологии поддержки принятия решений при оперативном управлении поливами. Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: - разработана имитационная гидравлическая модель оросительной сети и создан эффективный алгоритм определения рабочих точек насосной станции и распределительной сети при любой произвольной комбинации одновременно включенных дождевальных машин; -

доказана

возможность

формирования

оптимального

графика

проведения поливов и его реализации в оперативном режиме на протяжении всего поливного сезона в режиме реального времени; -

впервые

формированию

поставлена сетевого

и

решена

графика

оптимизационная

производства

поливных

задача работ

по при

оперативном управлении орошением, включающая целевую функцию, основанную на показателе качества исполнения планового режима орошения (по фактору времени). В решении используется разработанная автором гидравлическая модель оросительной сети для расчета режима работы насосной станции и поливной техники. Основные положения, выносимые на защиту: - алгоритм и программная реализация блиц-расчета гидравлических характеристики распределительной сети, основанного на операциях с функциями, описывающими напорно-расходные характеристики элементов сети, включая поливную технику; - имитационная гидравлическая модель оросительной системы для расчета характеристик режима работы насосной станции и поливной техники; - алгоритм расчета оперативного графика производства поливов и технологических параметров работы дождевальной техники, основанный на решении оптимизационной задачи; 7

- информационная технология поддержки принятия решений по формированию в оперативном режиме эффективного графика проведения поливов дождевальными машинами на внутрихозяйственной оросительной системе закрытого типа. Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что разработанные модели, расчетные схемы и алгоритмы позволяют повысить качество управленческой деятельности службы эксплуатации внутрихозяйственной оросительной системы и, тем самым, повысить эффективность использования земельных, водных, энергетических и трудовых ресурсов, обеспечить снижение антропогенной нагрузки на орошаемые земли агроландшафта за счет применения в хозяйствах предложенных методов комплектации оросительной

графика сети

полива. может

Разработанная

гидравлическая

использоваться

при

модель

проектировании

гидромелиоративных систем и подборе оборудования насосной станции. Результаты

исследований

использовались

при

расчете

технологических

параметров производства поливов широкозахватной поливной техникой на Заволжской оросительной системе (Николаевский р-н, Волгоградская обл.). Результаты исследований использовались при составлении ежегодных отчетов ГНУ ВНИИГиМ по программе РАСХН 03.02.02: «Разработать мероприятия по устойчивому и безопасному функционированию водных объектов АПК в условиях активного техногенного воздействия». Апробация результатов исследований проводилась на ряде научнопрактических

конференций

национального

и

международного

уровня:

Международная (5-ая Всероссийская) конференция молодых ученых и специалистов

«Новые

мелиорации»

(Коломна,

технологии 2008);

и

экологическая

Международная

безопасность

в

научно-практическая

конференция «Защитное лесоразведение, мелиорация земель и проблемы земледелия в Российской Федерации» (Волгоград, 2008); 2-ая Международная (6-ая Всероссийская) конференции молодых ученых и специалистов «Новые 8

технологии и экологическая безопасность в мелиорации (Коломна, 2009); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства» (Москва, 2009). По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ общим объемом 2,6 п.л., в том числе 2 публикации в журналах по Перечню ВАК РФ. Получен

патент

на

полезную

модель

(№ 2008122464/22(026905)

«Дождевальная машина») Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений; изложена на 122 странице машинописного текста, иллюстрирована 14 рисунками, содержит 10 таблиц, список литературы включает 81 наименований, в том числе 10 в иностранных изданиях. Благодарности.

Выражаю

мою

искреннюю

признательность

и

благодарность моему научному руководителю доктору технических наук, Ю.П. Добрачеву, а так же кандидату технических наук Г.Н. Виноградовой за помощь в работе над диссертацией, научные консультации и ценные предложения. Выражаю глубокую признательность за помощь в работе доктору технических наук К.В. Губеру, кандидату технических наук А.О. Щербакову, кандидату технических наук А.А. Терпигореву, а также всем сотрудникам ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии оказывавшим мне помощь в подготовке диссертационной работы.

9

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ НА КРУПНЫХ ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ Проблема управления орошением в нашей стране наиболее остро обозначилась в 70-е годы прошлого века в связи с интенсивным развитием гидромелиораций и ежегодным вводом в эксплуатацию сотен тысяч гектар орошаемых и осушаемых земель при очевидной невысокой эффективности использования земельных и водных ресурсов. Низкая культура земледелия и эксплуатации таких сложных гидротехнических объектов, какими являются оросительные и осушительные системы, стали причиной развития ряда негативных

экологических

явлений

(деградация

почв,

подтопление

и

иссушение территорий, вторичное засоление, загрязнение малых рек и др.), дефицита водных ресурсов, низкой эффективности орошения. Всё это отрицательно отразилось на продуктивности мелиорируемых земель и эффективности огромных капиталовложений в мелиорацию. Необходимо отметить, что исследования и разработки по техническому совершенствованию гидромелиоративных систем, их проектированию и улучшению конструкций элементов существенно увеличивали эффективность капиталовложений на этапе строительства, однако вопросы, связанные с эксплуатацией, не были решены на должном уровне, требовалась разработка более совершенных систем управления эксплуатацией гидромелиоративными комплексами [23]. Необходимость использования в задачах управления орошением функций и моделей, позволяющих связать водоподачу на поле с величиной урожая, а точнее - режим орошения с урожайностью сельскохозяйственных культур, мелиораторы осознали с момента создания крупных оросительных систем (далее – ОС). Это требование исходило как из центральных пунктов управления ОС (бассейновых, областных и районных), так и от эксплуатационников внутрихозяйственных ОС и агрономов [7, 56, 58].

10

Одной из первых и значимых теоретических работ в этой области является монография Галямина Е.П. [15] «Оптимизация оперативного распределения

водных

ресурсов

в

орошении»,

посвященной

задаче

оперативного планирования водораспределенем, под которой автор понимает задачи планирования распределения водных ресурсов по полям, а также назначение сроков и норм поливов орошаемых культур. В работе совершенно справедливо отмечено, что управление орошением на гидромелиоративной системе требует решения двух задач: - оперативного распределения воды по всем орошаемым полям для любого временного интервала на основе критериев хозяйственных решений; - оперативного управления исполнительными устройствами оросительной сети,

обеспечивающего

наилучшую

реализацию

планов

полива,

т.е.

запланированных режимов орошения. Разница между первой и второй задачей состоит в том, что решение первой задачи отвечает за информационное обеспечение распределения водных ресурсов (распределение оросительных норм по полям, назначение режимов орошения), в то время как в результате решения второй задачи выбираются варианты по управлению исполнительными устройствами и материальными потоками (режим работы насосной станции, поливной техники, регулирующей арматуры),

обеспечивающие

наилучшую

реализацию

планов

полива,

полученных в результате решения первой задачи. Информационное обеспечение решения задачи планирования поливов включает в себя данные о состоянии посевов, водно-физических свойствах почвы, погодных условиях, оптимальной предполивной влажности почвы по фазам развития культур, времени проведения других агротехнических мероприятий. В информационном обеспечении управления исполнительными устройствами оросительной системы главными компонентами являются технические характеристики элементов оросительной сети: напорно-расходные характеристики

насосной

водораспределительной

сети,

станции,

гидравлические

производительность

и

параметры

напорно-расходные 11

характеристики поливной техники, а также наличие водных ресурсов, обеспеченность трудовыми ресурсами и, конечно, оперативный план полива орошаемых полей. Представленная работа посвящена одному из основных аспектов оперативного управления водораспределением – оптимизации производства поливов при оперативном управлении поливами на закрытой оросительной сети.

1.1 Структура,

состав

и

функции

системы

оперативного

управления поливами ОС является сложной многоуровневой системой, включающей, как правило,

водозабор,

главный

(магистральный)

канал,

систему

межхозяйственных распределителей разного порядка, насосные станции, систему хозяйственных и внутрихозяйственных каналов или закрытую распределительную сеть трубопроводов, орошаемые поля и поливную технику. В практике проектирования и строительства ОС, как в прошлом, так и в современных

условиях

технические

характеристики

ОС

(гидромодуль

системы) устанавливаются с использованием такого показателя как расчетная обеспеченность орошения, т.е. процент количества лет, в которые посевы будут полностью обеспечены водой в рассматриваемом многолетнем ряду погодных условий и водности источника орошения. При проектировании систем этот параметр принимается как предварительно устанавливаемый норматив, который в свою очередь зависит от состава сельскохозяйственных культур в орошаемом севообороте, заранее определенной (проектной) величины

урожайности

с

учетом

ограничений,

накладываемых

экономическими и экологическими условиями производства. Все изложенное свидетельствует о том, что для достижения поставленной цели – получение заданных

объемов

сельскохозяйственной

продукции,

требуется

многоуровневая система управления распределением оросительной воды,

12

поскольку функционирование оросительной системы нередко осуществляется в условиях водного дефицита [42]. Управление распределением воды и орошением в условиях ресурсных дефицитов является одной из наиболее актуальных задач при эксплуатации оросительных

систем

и

производстве

продукции

растениеводства

на

орошаемых землях. Многие мелиоративные системы имеют до тысячи отдельных орошаемых участков общей площадью от десятков до десятков тысяч гектар. Эффективное управление орошением на мелиоративной системе, включающей

большое

число

взаимосвязанных

и

взаимодействующих

элементов, является достаточно сложной задачей вследствие, например, меняющего

гидравлического

режима

работы

насосной

станции,

распределительной сети и поливной техники при различных комбинациях ее включения. Кроме того, значительную трудность представляет оценка взаимодействия и взаимного влияния отдельных, в том числе случайных факторов:

метеорологические

условия,

наличие

водных

ресурсов

в

водоисточниках, обеспеченность трудовыми ресурсами, техническое состояние элементов оросительной сети [54, 56, 57]. Экономическая эффективность производственной деятельности хозяйств, имеющих большие площади орошаемых земель, объединенных в несколько севооборотов, определяется экономической эффективностью выращивания каждой сельскохозяйственной культуры, ее урожайностью (которая на орошаемых землях зависит от количества поданной на поле оросительной воды и режима орошения в конкретно складывающихся погодных условиях), агротехникой и рациональной схемой производства поливов [20, 25]. В странах с развитым орошаемым земледелием в 70-80 годах прошлого века был выполнен значительный объем исследований, направленных на разработку

и

практическую

реализацию

автоматизированных

систем

планирования и управления орошением [7, 74, 77, 78, 81]. Разработке оптимальных режимов орошения отдельных сельскохозяйственных культур с учетом типов почв и различных технологий полива для отдельных регионов, 13

зон и сельскохозяйственных районов нашей страны также посвящено значительное

количество

исследований

практической

и

теоретической

направленности [2, 3, 15, 18, 27, 29, 30, 65, 69, 70]. На крупных оросительных системах при планировании орошения возникает целый ряд сложных задач, которые не могут быть решены с помощью эмпирических методов. Значительную сложность представляет, прежде всего, учет таких факторов как изменчивость погодных условий, состояние технических средств, обеспеченность водными и трудовыми ресурсами, размещение сельскохозяйственных культур, природоохранные требования и ограничения. Для оперативного управления режимами орошения в последние годы разработаны методы эксплуатации оросительных систем и планирования

режимов

орошения,

ориентированные

на

использование

вычислительной техники, информационных технологий для сбора, передачи и обработки информации с целью своевременного принятия хозяйственных решений; создаются специальные информационно-управляющие системы [12, 28, 48, 49, 75]. Такого

типа

информационно-управляющая

система

обеспечивает

решение следующих основных задач:  регулярные расчеты по прогнозированию влажности почвы и состояния

посевов (фазы развития растений) по орошаемым полям;  назначение сроков и норм поливов по заданной предполивной влажности с

использованием агрометеорологических данных;  комплектование графиков поливов с учетом технических характеристик

оросительной сети. Однако

информационные

системы

программирования

урожаев

и

оперативного управления орошением не получили широкого распространения, поскольку оставался нерешённым целый комплекс научных, технических и организационных вопросов. Так, решение задачи управления орошением на совокупности полей оросительной системы представлялось во фрагментарном виде – назначения поливов на отдельных полях севооборота не были 14

согласованы между собой, что отрицательно сказывалось на реализации получаемых решений [5, 25, 26]. Излишняя централизация управления технологическими

процессами

на

региональном

уровне

приводила

к

игнорированию местных особенностей сельскохозяйственного производства, фактического состояния объектов управления и наличия ресурсов, исключала возможность детализации и оперативности принятия управленческих решений. Возникающие неувязки между расчетными режимами орошения и возможностью их реализации значительно снижали ценность информационного обеспечения

и

эффективность

управления

технологиями

выращивания

сельскохозяйственных культур на орошаемых землях. На такой основе функционировали оперативного

автоматизированные

планирования

поливов

в

информационные УкрНИИГиМе,

системы

ЮжНИИГиМе,

СтавНИИГиМе, СевНИИГиМе и ряде других организаций [57]. Наиболее широкое применение в практике получила автоматизированная информационно-советующая

система (ИСС) оперативного

планирования

орошения, разработанная в УкрНИИГиМе [48]. Эта система, основанная на математической модели расчета динамики влажности почвы орошаемого поля (по данным, полученным с испарителей) и комплектации графика полива по гидромодулю оросительной системы, выполняла следующие функции:  расчет динамики влагозапасов на поливных участках с учетом фактической

влажности, полученной в начале вегетационного периода, и информации о текущих метеоусловиях (по данным испарителя);  назначение сроков и норм поливов для каждого поливного участка по всем

культурам

севооборота

с

учетом

заданной

для

каждой

культуры

предполивной влажности почвы;  формирование укомплектованного (по минимуму колебаний водоподачи в

систему) графика полива севооборотного участка на предстоящие 10-14 дней,;  формирование отчетности о ходе поливов.

15

Основной недостаток этой системы – чрезмерно общий характер рекомендаций. При назначении поливов учитывалась лишь предполивная влажность по фазам вегетации возделываемых культур и их приоритет по хозяйственной ценности. В расчетах принималось во внимание только одно важное

ограничение

–

гидромодуль

оросительной

сети.

Эффект

от

практической реализации этих рекомендаций весьма проблематичен, поскольку не приняты во внимание такие значимые факторы, как тип и эксплуатационные возможности поливной техники, обеспеченность трудовыми ресурсами и, самое главное, не учитывается предыстория водного режима полей (были ли произведены ранее назначенные поливы, каково состояние посевов на дату назначения полива). При этом использование такой системы для контроля проведения поливов на больших площадях орошаемых земель, безусловно, имело положительное значение [52]. Современные

информационно-управляющие

системы

оперативного

планирования поливами на внутрихозяйственной оросительной системе в своем минимальном составе предполагают наличие вычислительной техники, каналов связи,

включая

оборудования, специалистов

интернет,

автоматизированного

математического (агрономов,

обеспечения

гидротехников

и

агрометеорологического и

квалифицированных

др.) владеющих

основами

информатики. Структура информационно-управляющей системы может быть одно- или двухуровневой в зависимости от структуры внутрихозяйственной оросительной системы. В тех случаях, когда оросительная система хозяйства разделена на отдельные

модули

с

автономными

подсистемами

водораспределения,

многоуровневая структура может быть рациональной структурой системы управления. На верхнем уровне будут решаться задачи водообеспечения всей оросительной системы, обеспечения информацией регионального уровня, а на нижнем – задачи оперативного управления поливами сельскохозяйственных культур и полей привязанных к одному водоисточнику, автономно питающему распределительную сеть [15].

16

Так, например, Лузинская ОС (Омская область), имеющая 12 тыс. га орошаемых земель, разделена на 6 отделений, каждое из которых имеет свою насосную станцию, распределительную сеть, поливную технику, бригаду специалистов по эксплуатации ОС. Очевидно, что для такой системы необходима двухуровневая структура управления, на верхней страте которой принимаются решения по структуре посевных площадей, календарному планированию

водозабора

на

вегетационный

период,

планированию

подготовки ОС к началу поливного сезона, сроках проведения плановых ремонтных работ и консервации технических средств ОС по завершению вегетации,

обеспечению

подсистем

нижнего

уровня

управления

метеорологической и другой информацией о наличии водных и трудовых ресурсов и т.д. На нижней страте решаются вопросы управления поливами (управление технологией выращивания сельскохозяйственных культур) в каждом отделении в течение всего периода вегетации с учетом использования информационного ресурса, предоставленного верхним уровнем, и заложенной в систему управления нижнего уровня базы данных по технологическим процессам [28]. Таким образом, дирекция выступает как управляющий центр, который, не вмешиваясь в практические работы по реализации технологии орошаемого земледелия,

определяет

лишь

стратегию

путем

постановки

целей

и

ограничений на ресурсы. Кроме этого управляющей центр выполняет аналитические функции, оценивая насколько эффективно каждое отделение использует выделенные ресурсы и управляет технологическим процессом выращивания урожая сельскохозяйственных культур. Основные функции современных систем управления орошением призваны осуществлять

информационную

поддержку

принятия

технологических

решений по поливу и выращиванию сельскохозяйственных культур. Система позволяет решать следующие основные задачи управления орошением:  сезонное планирование орошения, включая водораспределение по полям и

культурам; 17

 оперативное планирование поливов по агрометеопараметрам;  планирование и контроль эксплуатации оросительной системы, включая

дождевальную технику;  мониторинг почвенного плодородия и экологического состояния орошаемых

земель;  паспортизацию элементов оросительной системы, включая орошаемые поля,

водораспределительную сеть, дренаж, насосные станции, дождевальные машины. При этом задача оперативного управления поливами является одной из основных

задач

эксплуатации

информационной

оросительной

поддержки

системы,

принятия

корректное

решений

решение

по

которой

обеспечивается при условии реализации всех перечисленных выше функций [22, 55].

1.2 Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений Под оптимальным использованием оросительной воды естественно понимать применение таких оросительных норм и режимов орошения, которые обеспечивают максимальный выход продукции растениеводства в условиях существующих ограничений на ресурсы, технические и технологические характеристики оросительной системы и ограничения по интенсивности воздействия на окружающую среду. Зависимость

урожайности

сельскохозяйственных

культур

от

водопотребления изучается в течение многих лет в нашей стране и за рубежом, как на экспериментальной основе, так и с теоретических позиций (см., например, [20, 39, 44, 48, 51, 69, 70, 72, 73]). Анализ результатов этих исследований показывает, что не только для различных культур, но и в различных природных и хозяйственных условиях для одних и тех же культур получаются разные количественные соотношения между суммарным объемом водопотребления и урожайностью. Причем обе переменные этого соотношения 18

являются

функцией

режима

орошения.

Поэтому

при

построении

производственных функций (зависимость урожайности от водопотребления) обязательным является предположение о том, что закон соответствия между оросительной нормой и урожайностью является однозначной функцией только лишь в том случае, если ресурс используется наилучшим образом, т.е. оптимально. Это значит, что зависимость y(E) между водопотреблением Е и урожайностью у является производственной функцией лишь при наилучшем режиме орошения, который может быть достигнут при оптимальном управлении поливами. С физиологической точки зрения наилучший режим орошения есть полное и своевременное удовлетворение потребности растений в воде. Нетрудно представить идеальную, по мнению Н.С.Петинова [51], достаточно реальную ситуацию, когда можно определить эту потребность в любой момент времени (например, по величине сосущей силы клеточного сока листьев) и идеальную оросительную систему, которая может автоматически точно удовлетворить эту потребность. Если не принимать во внимание возможность более тонкого управления развитием растений для получения максимального урожая с учетом возможных погодных аномалий, то можно принять такой режим орошения за наилучший при условии, что подача оросительной воды ничем не ограничена. Существующие оросительные системы имеют множество реальных ресурсных, технических и технологических ограничений на объем и сроки водоподачи и, следовательно, возникает принципиально иная ситуация, о которой К.А.Тимирязев писал: “...теоретик порою готов подать совет, может быть полезный для растения, но убыточный для хозяина”.([60], с.90). Очевидно, что цель управления орошением – получение наибольшего урожая за счет наилучшего распределения водоподачи во времени в рамках заданных

ограничений.

Достижение

поставленной

цели

может

быть

реализовано путем постановки целого класса оптимизационных задач,

19

поэтапное решение которых в совокупности составляет основу оптимального управления орошением. При дефиците оросительной воды, т.е. при оросительных нормах меньше биологически оптимальной нормы (M<MO), а также при других ограничениях каждой норме соответствует свой оптимальный режим водопотребления, обеспечивающий получение максимума урожая. Оптимальным режимом орошения при этом будет такая подача воды, которая в каждый момент времени в точности обеспечивает оптимальный (в смысле получения максимальной

урожайности)

режим

водопотребления,

соответствующий

данной оросительной норме M<MO. Отсюда с необходимостью следует, что в рамках любых ограничений на режим орошения для получения наибольшего урожая всегда надо стремиться к тому, чтобы этот режим как можно точнее следовал ходу оптимального обеспечения влагой растений. По метеоусловиям типовых лет или конкретного года (ретроспективные данные) могут быть рассчитаны суммарное водопотребление, оросительная норма и поливной режим, обеспечивающий влажность корнеобитаемого слоя почвы в определенном диапазоне. Рассчитанный таким образом поливной режим основан на учете усредненных характеристик факторов по интервалам вегетационного периода. Очевидно, что использование подобных методов позволяет говорить лишь о расчетном режиме орошения сельскохозяйственных культур для заранее заданных погодных условий, но никак не об оптимальном режиме орошения, который можно было бы осуществить. А.Н. Костяковым [34] режим орошения определен как совокупность числа, сроков и норм поливов. Определение учитывает, что потребность растений в воде в течение вегетационного периода изменяется в соответствии с фазами их развития и напряженностью метеорологических факторов. В отдельные периоды эта потребность для данных природных условий не удовлетворяется за счет естественных источников увлажнения, т.е. появляются дефициты, размеры и сроки которых определяют необходимость, размеры и сроки их ликвидации за счет орошения. И чем точнее будет происходить 20

ликвидация дефицита, тем лучше будет удовлетворена потребность растений в воде. В определении А.Н. Костякова также учтено, что на практике ликвидация дефицитов происходит дискретно (прерывисто), что связано с технологией возделывания сельскохозяйственных культур, а также с технологией самого орошения. Размеры поливных норм рассчитываются по известной формуле А.Н. Костякова, однако они лимитируются способом и техникой полива, почвенными

и

гидрогеологическими

условиями,

спецификой

сельскохозяйственного производства. Поэтому основное содержание задачи оптимизации режима орошения с целью получения наибольшего урожая состоит

в

определении

оптимальных

сроков

и

размеров

дефицитов

водопотребления, ликвидируемых за счет орошения, которые возникают в условиях неопределенности метеорологических факторов по фазам развития растений в течение всего периода вегетации. Для текущего периода вегетации расчетные режимы орошения для других лет как бы хороши они не были рекомендовать нельзя, поскольку в текущем году случайные функции внешних факторов будут иными. Возникает вопрос, как повысить эффективность орошаемого земледелия за счет рациональных режимов орошения. Решение этого вопроса не выглядит сложным – необходимо перейти от задачи поиска оптимального режима орошения к задаче оптимального оперативного управления режимом орошения [76, 79]. Аналогичная

ситуация

присуща

многим

сложным

системам,

функционирующим в условиях неопределенности состояния внешней среды. Для таких систем понятие оптимального режима не существует, но существует понятие оптимального

управления, которое определяется

конкретными

реализациями случайных функций, влияющих на систему, и выбором соответствующего критерия оптимальности [11]. Реализация оптимального управления

и

позволяет

говорить

об

оптимальной

экстремали,

минимизирующей или максимизирующей соответствующий функционал. Реализованное

управление

будет

оптимальным

только

для

частной 21

совокупности случайных функций, определяющих условия функционирования системы. Очевидно, что для другой совокупности случайных функций результаты оптимального управления будут иными [9]. Задача определения оптимальных поливных норм может рассматриваться отдельно в контексте эколого-экономических критериев. Эта задача должна быть поставлена с условием получения максимального эффекта и учетом всех затрат и результатов, а также всех ограничений, определяемых технологией орошения, почвенными и гидрогеологическими условиями, спецификой возделывания конкретных сельскохозяйственных культур в условиях орошения [40, 42]. Любые технологические ограничения на режим водопотребления не способствуют

получению

наивысшей

урожайности

и

наилучшему

использованию оросительной воды. С этих позиций самыми хорошими системами орошения были бы такие, которые не ограничивают режим водопотребления растений (например, системы капельного орошения). Однако создание таких систем, как правило, связано с весьма значительными затратами. Естественным образом возникает необходимость сравнения затрат и результатов при использовании систем орошения, с теми или иными ограничениями на режим орошения. Такое сравнение, по сути дела, есть сравнение вариантов оросительной системы, т.к. ограничения на режим водообеспечения посевов являются функциями ее параметров и имеют слабое отношение к оперативному управлению. Изложенные

теоретические

положения

являются

основой

информационной системы оперативного управления орошением. Оптимальное управление

системой

"почва-растение-атмосфера"

параметров

растений

(по

мере

их

развития),

предполагает

оценку

микроклимата,

почвы,

гидрологических условий и прогнозируемой величины урожайности. Наиболее перспективный путь оптимального управления формированием урожая – использование динамических математических моделей для решения задач управления, которые позволяют в целевую функцию включить саму 22

динамическую модель в виде функции продуктивности от режима орошения и текущих случайных факторов состояния погодных условий [10, 14, 16, 80]. При формулировании задачи оптимального оперативного управления поливами на действующей оросительной системе необходимо учитывать влияние характеристик техники полива на технологический процесс полива, размеров поливного участка, обслуживаемого одной машиной, агротехники выращивания сельскохозяйственных культур и природно-мелиоративных характеристик поля. Поскольку любые технологические ограничения на режим орошения не способствуют получению наивысшей урожайности и наилучшему использованию оросительной воды, эти ограничения должны быть учтены при формировании реальных планов производства поливов. В сформированном плане орошения должны быть учтены существующие ресурсные и технические ограничения и, таким образом, являться (в том числе) функцией параметров мелиоративной системы [76]. Изложенное позволяет обоснованно ответить на один из принципиальных вопросов

постановки

задачи

и

построения

информационных

систем

оперативного планирования поливами: в чем состоит информационнологическая связь между режимом орошения, с одной стороны, и физическими параметрами оросительных систем - с другой. При любом изменении технического решения оросительной системы, т.е. при изменении значений физических параметров меняются лишь величины ограничений на размеры ликвидируемых за счет орошения дефицитов водопотребления сельскохозяйственных культур. Таким образом, суть задачи определения наилучших

оптимальных параметров

управляющих

режима

решений

орошения

(сроков

сводится и

норм

к

выбору полива),

учитывающих эти ограничения и обеспечивающих возможность их выполнения по некоторой целевой функции. Следовательно, в оперативном плане полива технические характеристики оросительной системы выступают лишь в качестве ограничений и прямо не влияют на целевую функцию при условии, что

23

затраты,

связанные

с

организацией

различных

поливов,

отличаются

незначительно. Реализация

оперативного

плана

полива

зависит

от

технических

характеристик оросительной системы, включающей насосную станцию, систему транспортировки и распределения воды, технику полива, технологии выращивания сельскохозяйственной культуры, размер поливного участка, обслуживаемого одной машиной, природных характеристик поля и, конечно, назначенных оперативным планом сроков и норм полива. Для осуществления любого заданного оперативного плана орошения полей, занятых сельскохозяйственными культурами, необходимо сформировать такой режим работы насосной станции и поливной техники, который в рамках всех вышеназванных условий и ограничений обеспечивает получение максимального урожая с орошаемых полей. Следовательно, оптимизация технологического

режима

производства

поливов

является

очередным

необходимым этапом оптимального оперативного управления поливами. Анализ разработанных ранее информационных систем оперативного планирования орошением показал, что вопросам организации производства поливов на крупных внутрихозяйственных системах уделялось недостаточно внимания. Сопряжение режимов орошения с техническими характеристиками оросительной сети сводилось к выполнению ограничения по гидромодулю, которое распространялось на все поля. Продолжительность полива отдельного поля рассчитывалась по гидромодулю и поливной норме (при допущении, что производительность ДМ или бригады операторов пропорциональна площади орошаемого поля). Очевидно, что на практике выполнение таких рекомендаций вызывало немало трудностей и, чаще всего, они оказывались невыполнимыми. В этой связи в хозяйствах использовалась только часть рекомендаций, касающаяся назначения сроков и норм полива. График работы дождевальной техники и насосной станции (график гидромодуля поливного цикла) формировался специалистами хозяйства экспертным путем, исходя из технических характеристик насосной станции, дождевальных машин и наличия 24

операторов ДМ, что приводило к нарушениям рассчитанного оперативного плана

полива

сельскохозяйственных

культур

и

значительно

снижало

эффективность оперативного управления. Впервые сопряжение режима полива с работой оросительной сети в рамках оперативной системы управления было представлено в работе Ю.П. Добрачёва [17, 28], однако в разработанном программном обеспечении формирование графика полива дождевальными машинами реализовано по приоритетному принципу. В первую очередь включались ДМ на полях, которые имели максимальную разницу между назначенной предполивной влажностью почвы и актуальной, а хозяйственная ценность культуры не принималась во внимание. Тем не менее, показанная в работе возможность использования имитационной модели оросительной сети и паспортных характеристик дождевальной техники для комплектования графика работы дождевальной техники и согласованного с ним графика работы насосной станции существенно повысила теоретический уровень принятия решений и способствовала

совершенствованию

методов

практической

реализации

оперативных планов орошения. Анализ структуры и функций, разработанных ранее систем управления поливами с позиций современных информационных технологий, экологоэкономических

требований

и

новых

технологических

возможностей

орошаемого земледелия показал, что система должна иметь отдельный блок управления организацией производства поливов. Назначение этого блока состоит в обеспечении оптимального использования технических средств оросительной системы для наиболее эффективной реализации рекомендаций по режиму орошения сельскохозяйственных культур. В системе управления орошением этот блок может иметь самостоятельное значение [76, 77]. Действительно,

оперативный

расчет

сроков

и

норм

полива

по

агрометеопараметрам может выполняться не только с помощью динамических моделей агроценозов, но и с помощью биоклиматических коэффициентов, путем измерения влажности почвы на орошаемых полях датчиками или с 25

помощью дистанционных методов. Любой способ оперативного назначения поливов требует реализации путем организации производства поливов, для которой необходимо разработать график включения поливной техники согласованный с работой насосной станции. Для этого необходимо оценить производительность каждой единицы поливной техники, выполняющей полив заданной нормой с учетом того, что давление на гидранте зависит от количества и производительности других машин, включенных в сеть. Для производства полива заданной поливной нормой некоторой отдельной машиной оператору необходимо задать технологические параметры работы техники: скорость перемещения или время работы на позиции, которые зависят от расхода воды на машине (давления в сети). Очевидно, что для выполнения таких расчетов необходима гидравлическая модель оросительной сети, имитирующая режим работы при любых включениях и выключениях ее элементов и позволяющая контролировать режим работы техники в любой точке сети. Изложенные

выше

аналитические

материалы

могут

служить

обоснованием постановки оптимизационной задачи производства поливов с целью реализации оперативного плана орошения сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной сети.

1.3 Постановка оптимизационной задачи производства поливов сельскохозяйственных культур при оперативном управлении орошением В

последние

годы

с

изменением

экономических

условий

функционирования отраслей агропромышленного комплекса наблюдается интенсификация сельскохозяйственного производства, его ориентация на применение средств комплексной мелиорации, восстановление, реконструкцию и совершенствование методов эксплуатации оросительных систем. В этой связи вновь возник интерес к внедрению в практику эксплуатации оросительных систем информационно-вычислительных средств оперативного управления поливами с целью повышения эффективности орошаемого земледелия.

26

Проблема оптимального управления орошением в наиболее общем виде включает

в

себя

иерархически

связанную

последовательность

задач

управления, обусловленных самой структурой оросительной системы – от водоисточников, магистральных и межхозяйственных распределительных каналов, насосных станций, внутрихозяйственных закрытых и открытых сетей до полей и поливной техники. В содержательном аспекте все задачи управления сводятся к взаимосвязанным задачам планирования и оперативного управления

водораспределением

для

каждого

структурного

уровня

оросительной системы и любого момента поливного периода, включая оперативное

планирование

поливов

сельскохозяйственных

полей

и

организационно-технологическую реализацию поливов. Современные технические средства управления и программные продукты открывают возможность новых подходов к построению схем и алгоритмов оптимального распределения водных ресурсов и оперативного управления поливами на внутрихозяйственных оросительных системах с использованием экономических критериев и экологических ограничений. Главная цель систем управления орошением – рациональное использование водных, земельных, энергетических и технических ресурсов хозяйства, обеспечение получения максимума дохода при производстве продукции растениеводства на орошаемых землях. Независимо от методов расчета эксплуатационного режима орошения (по дефициту водопотребления, измеряемой влажности почвы, с использованием биоклиматических и биофизических коэффициентов или динамических моделей орошаемых агроценозов), параметры поливного режима сводят в таблицу, в которой показывают даты полива, размеры поливных норм, номер полива,

межполивной

интервал,

продолжительность

полива

каждого

орошаемого контура. Не вдаваясь в детали этих расчетов, отметим, что при реализации

эксплуатационного

режима

орошения

его

необходимо

систематически корректировать с учетом текущих и прогнозных погодных условий, обеспеченности водными ресурсами, состояния поливной техники, 27

агротехнологических и организационно-хозяйственных ограничений. Всё это достигается оперативным управлением поливами [50]. Задача оперативного управления производством поливов включает в качестве исходной плановой информации результаты расчетов оперативных режимов орошения (сроки и поливные нормы) каждого поля, занятого некоторой культурой. При формировании оперативного плана полива сельскохозяйственных

культур

используется

допущение,

что

полив

производится в течение одних суток, т.е. гидромодуль ОС не лимитирует производство поливов. В лучшем случае указывается срок полива – промежуток времени, в течение которого необходимо провести полив на данном поле. Это условие является слабым местом при экспертном формировании графика поливов и именно поэтому требуется создание системы по формированию оптимизированного графика производства поливов. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах (десятки полей и ДМ) можно разделить на два этапа:  оперативное назначение поливной нормы и даты очередного полива для

каждой культуры и каждого орошаемого контура (оперативный режим орошения);  формирование

графика

полива

всех

полей

оросительной

системы,

реализующего оперативный режим (с указанием сроков начала и конца полива, технологических параметров работы каждой единицы поливной техники). При формировании графика полива необходимо учитывать оперативный режим орошения в виде плана и технические характеристики элементов оросительной сети: насосной станции, трубопроводов, ДМ, гидромодуль системы, наличие поливальщиков, продолжительность рабочего дня и др., а также возможные агротехнологические и организационно-хозяйственные ограничения. При прочих равных условиях, очевидно, что график полива должен быть максимально приближен к оперативному плану орошения и должен быть максимально эффективным.

28

Также очевидно, что целевая функция задач управления в той или иной мере должна быть связана с валовой величиной урожая, получаемого с полей оросительной системы, и ее можно оценить по произведению объема продукции, получаемой с каждого поля, и её стоимости. В некоторых работах [5, 6] в качестве целевой функции предлагается использовать минимум ущерба. Под ущербом будем понимать стоимость недополученной продукции и при этом точкой отсчета служит прогноз или некий план получения продукции при реализации оперативного управления орошением. Результаты работ [5, 6] могут быть применимы только в том случае, если верно допущение, что затраты на реализацию различных вариантов полива близки между собой. Это возможно лишь при условии исчисления стоимости ущерба по замыкающим ценам и при условии, что в качестве точки отсчета для определения ущерба служит объем продукции, полученной при оптимальном функционировании оросительной системы, одним из параметров которой является оптимальное управление поливами, при котором плановый режим орошения оптимизирован. Тогда величина ущерба будет

характеризовать

качество

различных

вариантов

организации

производства поливов, то есть насколько сформированный эксплуатационный режим полива близок к плановому. Именно такой подход и реализован нами путем

постановки

соответствующей

оптимизационной

задачи.

В

действительности, точность оценки ущерба в предлагаемой нами постановке оптимизационной задаче важна ровно на столько, на сколько требуется дифференцировать стоимость получаемой продукции, влияние смещения полива на сутки и влияние производительности техники полива. Таким образом, целевая функция по существу является штрафной функцией, которой придано экономическое содержание. Задачу формирования оперативного графика полива для закрытой оросительной сети представим в виде оптимизационной, для которой в общем виде запишем следующие исходные характеристики.

29

Оросительную систему закрытого типа, включающую насосную станцию, распределительную сеть трубопроводов, множество полей J с площадью каждого поля Sj, занятого сельскохозяйственными культурами k. Каждое j–ое

 

поле орошается дождевальными машинами Rnj , где nj – множество номеров машин, принадлежащих j-ому полю, где n - порядковый номер машины на внутрихозяйственной ОС. Полем будем считать орошаемую площадь, имеющую однородный по своему составу k растительный покров, и обслуживаемую некоторым

 

количеством дождевальных машин Rnj . Орошаемое поле разобьем на ряд однородных (с точки зрения технологического процесса полива) элементарных участков, исходя из допущения, что этот участок поливается одной конкретной дождевальной машиной  , рис. 1.1 [28]. Площадь такого участка на j-ом поле, занятом k-ой культурой обозначим через S n так, что: jk

n   S jk  S jk ,  1

где

S

jk

- площадь k-го поля, занятого j-ой культурой, n-число

элементарных участков и число машин обслуживающих данное поле.

30

Рис.1.1. Блок-схема многоуровневого орошением на внутрихозяйственной ОС

комплекса

управления

Задача оперативного управления производством поливов включает в качестве исходной плановой информации результаты расчетов оперативных режимов орошения каждого поля, занятого соответствующей культурой. Оперативный режим полива всех полей ОС представляется в виде множества поливных норм mt (м3/га) очередного полива с указанием даты (t) (порядковый номер дня по Юлианскому календарю) полива. Поскольку при расчете оперативного режима орошения сложно учесть продолжительность полива,

31

допускается, что полив производится в течение одних суток и что гидромодуль ОС, наличие рабочей силы и др. не лимитируют производство поливов. Оперативное

управление

производством

поливов,

обеспечивающее

оптимальную реализацию плана полива сельскохозяйственных культур, функционирует синхронно с оперативным планированием режимов орошения. Как правило, это периоды в 10-14 дней, на которые формируется график полива орошаемых полей ОС. Система оперативного управления производством поливов должна предусматривать для каждой единицы поливной техники рациональное назначение технологических параметров её работы (давление, расход, время на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, нормы обслуживания) по суткам с момента её включения с учетом длительности рабочего дня, изменений комбинации одновременно включенных машин (продолжительное изменение давления в сети), порядок работы машин на каждом поле и на всей ОС, размеры нетто и брутто поливных норм, сроки начала и окончания производства поливов. Главная цель такой системы управления – это оптимальная реализация расчетного режима орошения. Теоретически орошение одного отдельного поля может быть проведено в короткие сроки, близкие к плановым. Однако в производственных условиях, при

необходимости

комплектации

графика

гидромодуля

возможны

значительные смещения от плановых дат из-за ограниченных технических возможностей оросительной сети и поливной техники. Согласно приведенным выше допущениям о виде целевой функции данной оптимизационной

задачи,

оценку

влияния

смещения

сроков

полива

относительно планового на валовую стоимость продукции, получаемой с одного поля севооборота, будем рассчитывать по выражению вида: u j  k k Y jk  Z k  s j t   t *  t ,

где u j – показатель «ущерба» от смещения полива площади sj(t) j-того поля, занятого культурой k на время

t *  t , руб.; Y jk – планируемая

32

урожайность k-той культуры на j–том поле; Z k - стоимость единицы продукции k-той культуры, t * - плановый день полива, t – день полива площади s j ; kk – коэффициент пропорциональности. Запишем целевую функцию и основные ограничения оптимизационной задачи, используемой в системе оперативного управления производством поливов: tк

J

U   kk Y jk  Z k  s j t   t *  t  min ; j 1 t н

nj

t кон j

s j (t )  

S j   s j (t ) , t нач j

 1

s j

nj

(t ) , q j (t )   qj (t ) , 

t кон j

 q j (t )

mbj 

t нач j

J

 q (t )  Q

ос

j

j 1

- условие выполнения поливной нормы брутто;

Sj

-ограничение по гидромодулю;

N

 b(n , t )  B(t ) r

-ограничение по наличию операторов ДМ в бригаде;

n 1

t

нач j

 

агротехнологическим [ t агрнач j



, t , t кон  t агрнач , ..., t агркон для j  J - запрет на производство поливов по j j j

и

другим

причинам

в

промежуток

времени

t агркон ]; j

где Sj- площадь орошаемого j-го поля; sj(t) - площадь участка j-го поля, орошаемого за одни сутки t ; qj(t) – гидромодуль орошаемого j-го поля в течение суток t; qjγ(t)- расход воды дождевальной машиной за время t, л/сут.; b(nr, t) – норма обслуживания работающей в сутки t дождевальной машины за номером nr (норма обслуживания не работающей машины принимается равной 0), чел./сут.; nj – номера дождевальных машины j-го поля; γ- номер машины; кон B(t) –число поливальщиков в бригаде на момент времени t; t нач j , t j - номера

33

суток начала и конца проведения полива на j-том поле; t агрнач , t агркон - номера j j суток начала и конца запрета на проведение полива на j-том поле. Площадь участка j-го поля, орошаемого в течение одних суток, определяется

суммой

площадей,

политых

дождевальными

машинами,

работающими в течение этих суток, т.е. n rj

s j (t )   s nj ( m*j , pn (t )) ,

где s nj ( m*j , pn (t )) - функция производительности (га/сут.) работающей дождевальной машины номера n за сутки t от поливной нормы m*j (м3/га) и давлении на машине p n (t ) , м ; n jr - вектор номеров всех работающих на j-том поле машин течение суток t. Решение поставленной оптимизационной задачи не представляется сложной процедурой при условии, что давление воды на насосной станции поддерживается на постоянном уровне и каждая дождевальная машина имеет автоматический регулятор давления, обеспечивающий постоянное номинальное давление на входе машины и гидромодуль не ограничивает количество одновременно работающих ДМ. День начала полива и его продолжительность для каждой машины могут быть определены по исходным данным с учетом ограничений для орошаемой площади, обслуживаемой этой машиной. Сложность

поставленной

задачи

существенно

возрастает

для

оросительных систем, не имеющих автоматических регуляторов давления, поскольку в зависимости от комбинации одновременно включенных машин изменятся давление на входе каждой машины, их производительность (норма обслуживания для позиционных ДМ). Поддержание постоянного давления на входе воды в сеть (на насосной станции) не имеет принципиального значения и не упрощает решение задачи. В реальном случае для комплектации графика полива и определения технологических параметров производства полива ДМ (давление на входе

34

машины, скорость передвижения, время на позиции, производительность за сутки) необходимо использовать имитационную гидравлическую модель оросительной характеристики

сети,

которая

насосной

позволит

станции

и

сети

сопрячь с

напорно-расходные

заданной

комбинацией

подключенных ДМ и затем рассчитать давление на каждой машине. Определение свободного давления на гидранте позволяет рассчитать расход воды ДМ, время на позиции или скорость передвижения для обеспечения заданной поливной нормы и производительности ДМ при таком режиме работы. Представим расчетное давление на входе ДМ с номером n в день t в виде функции:

pn (t )  G( P, ln , n r (t ), qn ( p)) , где

G( P, l n , n r (t ), qn ( p ))

-

гидравлическая

функция

(производная

гидравлической модели оросительной сети) для ДМ с номером n от параметров: P – давление на входе сети, ln – характеристики проводящей сети от насосной станции до гидранта ДМ; n r (t ) - номера включенных ДМ в сутки t; pn(t)давление на дождевальной машине в момент времени t, рассчитанное с помощью имитационной гидравлической модели закрытой оросительной сети. Для использования предложенного подхода к комплектации графика гидромодуля и формированию графика полива в оптимизационную задачу необходимо внести ограничения на величину минимального и максимального давления на ДМ (по типам машин). Нарушение этого ограничения приводит к неравномерному

распределению

влаги,

снижению

качества

дождя

и,

безусловно, отразится на урожайности. Применение на крупных ОС средств оперативного управления поливами, в том числе гидравлической модели сети, позволит повысить точность и эффективность выполнения агромелиоративных плановых заданий, более полно использовать имеющийся технический ресурс оросительной сети, контролировать режим ее работы. Автоматизация и оптимизация управления 35

поливами

существенно

упростит

решение

рутинных

организационно-

технологических вопросов, позволит оперативно и адекватно реагировать на изменение метеоусловий, агротехнологических и хозяйственных ситуаций и повысить эффективность эксплуатации ОС. Предлагаемая система моделей позволяет определить оптимальный технологический режим полива, оптимальные планы подачи воды на поле (сроки и поливные нормы), оптимальные оросительные нормы, оптимальные режимы работы распределителей и магистрального канала при заданных агрометеорологических условиях. Высокий уровень оперативности разработки планов орошения по известной ретроспективной информации и прогнозным метеорологическим данным определяет степень приближения реального эксплуатационного режима к оптимальному плану. При такой постановке задачи распределения оросительной воды и оперативного

управления

оптимального

варианта

орошением работы

ОС

упрощается и

процедура

одновременно

выбора

повышается

обоснованность решений, связанных с рациональным использованием водных ресурсов на действующих и реконструируемых системах.

36

Выводы к главе 1

1.

Анализ научной литературы показал, что основные функции

разработанных к настоящему времени информационных систем оперативного управления орошением связаны с решением задачи текущего планирования режимов орошения сельскохозяйственных культур по агрометеорологической информации и, в меньшей степени, с организацией производства поливов и комплектацией графика работы поливной техники.

2.

Показано, что при оперативном управлении орошением на

крупных внутрихозяйственных оросительных системах в оптимизационных задачах необходимо учитывать технические характеристики элементов оросительной сети (насосной станции, распределительной сети, поливной техники и др.), которые накладывают ограничения на поливной режим сельскохозяйственных культур. Предложен подход, при котором оперативное управление орошением строится на решении двух оптимизационных задач:  оперативное

планирование

орошения

(сроки

и

нормы

полива)

по

агрометеопараметрам, учитывающее эколого-экономические критерии и основные технические характеристики

–

наличие водных

ресурсов,

гидромодуль системы, максимальные и минимальные поливные нормы;  оперативное управление техническими средствами полива (режим работы

насосной станции, график включения и выключения поливной техники, режим

работы

характеристики

поливной оросительной

техники), сети

и

учитывающее наиболее

важные

технические с

позиций

хозяйственных решений характеристики полей орошаемого севооборота (площадь поля, планируемая урожайность, стоимость единицы продукции). Таким

образом,

оперативное

управление

поливами

на

крупных

внутрихозяйственных оросительных системах закрытого типа включает два этапа: планирование режима орошения сельскохозяйственных культур и его

37

реализация

службами

эксплуатации

при

существующих

ресурсах

и

технических средствах.

3.

Сформулирована

управления

производством

оптимизационная поливов,

задача

обеспечивающая

оперативного выполнение

запланированного (расчетного) режима орошения сельскохозяйственных культур. Показано, что для формирования в оперативном режиме графика полива, комплектации гидромодуля и определения режима работы поливной техники необходимо использовать гидравлическую имитационную модель оросительной

сети,

которая

позволяет

сопрячь

напорно-расходные

характеристики насосной станции и распределительной сети с работающими ДМ.

38

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Значительная

часть

территории

России

по

своим

природно-

климатическим условиям входит в зону «рискованного земледелия». Поэтому для получения не только высоких, но и гарантированных урожаев необходимо

развивать

и

совершенствовать

систему

управления

технологическим процессом производства растениеводческой продукции на мелиорируемых землях. Опыт показывает, что в каждом конкретном случае реализация представляет

процесса собой

возделывания многоплановую

сельскохозяйственных задачу,

при

решении

культур которой

необходимо учитывать многофакторную, непрерывно меняющуюся ситуацию сельскохозяйственного производства, в том числе динамику погодных условий, сложные (во многом неопределенные) реакции растений на воздействие

внешней

среды,

а

также

экономические

аспекты

сельскохозяйственного производства [66]. На практике, при планировании орошения возникает целый ряд сложнейших задач, решение которых не может быть получено только эмпирическими методами. Значительную сложность представляет, прежде всего, учет таких факторов как изменчивость погодных условий, состояние технических средств, обеспеченность водными и трудовыми ресурсами, распределение сельскохозяйственных культур по полям, природоохранные требования и ограничения. Анализ результатов производственной деятельности имеющих орошаемые земли хозяйств показывает, что общая культура земледелия напрямую зависит от уровня информационного обеспечения принятия решений региональными службами эксплуатации. Все перечисленные факторы существенно влияют на формирование плана орошения. При этом оперативный режим планирования и управления поливами становится основой процесса оптимального управления формированием урожая на орошаемых землях.

39

2.1 Объекты исследования В качестве объектов исследования были выбраны: Городищенская ОС (ФГУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз», Волгоградская область) и Лузинская ОС (АО «ОМСКИЙ БЕКОН», Омская область). Городищенская ОС расположена на правом берегу реки Волги с водозабором из Волгоградского водохранилища, на южной оконечности Приволжской возвышенности и занимает Восточную часть Волго-Донского междуречья. В Городищенском районе имеется 34 347 га орошаемых земель: Городищенская ОС – 20 500 га, Калачёвская ОС – 7 131 га и ВХС – 6 716 га. На Городищенской ОС расположены орошаемые земли 15-ти хозяйствводопользователей. Из имеющихся в наличии на 01.01.2006 орошаемых земель в сельскохозяйственном производстве использовалось около 90%. Часть земель не орошалась из-за неисправности дождевальных машин (2585 га), отсутствие средств на эксплуатацию (820 га), а так же из-за плохого состояния ОС, основные элементы которой нуждаются в реконструкции. На орошаемых полях хозяйств-водопользователей были размещены следующие основные культуры: зерновые, овощи, картофель, многолетние травы, кукуруза на силос. Планом водопользования на 2006 год предусматривалась подача воды объемом 121091 тыс. м3 на орошаемые поля хозяйств – водопользователей и крестьянско-фермерских хозяйств. Фактически было подано 91675 тыс. м3. Водозабор осуществлялся из Волгоградского водохранилища. Водозабор из источников орошения по Городищенской ОС осуществлялся насосными станциями первого и второго подъема общим расходом 27,6 м3/сек. Полив культур проводился дождевальными машинами «ДКШ-64», «Фрегат», «Днепр», ДДА-100М, «Кубань», ДДА-70 и полосами с помощью гибких шлангов. В течение поливного сезона дождевальные машины «ДКШ-64», «Фрегат», «Днепр» работали круглосуточно, за сутки выход политой площади составил 1100 га. Поливные нормы в зависимости от гранулометрического состава

40

почв, с/х культур и стадии развития растений составляли в среднем 380-520 м3/га. Распределением

воды

и

своевременной

ее

подачей

занимается

диспетчерская служба, которая в поливной сезон работает круглосуточно. Подъем воды из Волгоградского водохранилища для полива производится двумя стационарными насосными станциями ГНС № 1 и № 2 на высоту 136 м. ГНС № 1 подает воду в соединительный канал двумя разменными насосами 24 НДС производительностью 1,8 м3/сек каждый при напоре 68 м и четырьмя основными насосами типа 52В - 11 производительностью 6,3 м3/сек (напор 68 м). Насосы № 5 и № 6 приводятся в работу высоковольтными синхронными электродвигателями марки СДН-15-64-8 мощностью 1600 квт, 750 об/мин, напряжением 10 кВ. Насосы № 1, № 2, № 3, № 4 приводятся в действие высоковольтными синхронными электродвигателями марки ВДС0-325/69-16 напряжением 10 кВ, мощностью 8000 кВт, 325 об/мин. Насосная станция второго подъема ГНС № 2 подает воду в магистральный

канал

двумя

разменными

насосами

марки

24

НДС,

производительностью 1,8 м3/сек (напор 68 м.) и четырьмя основными насосами типа 52В-11 производительностью 6,3 м3/сек (напор 68 м). Насосы № 5 и № 6 приводятся в действие высоковольтными синхронными электродвигателями марки СДН-15-64-8 мощностью 1600 кВт, 750 об/мин, напряжением 10 кВ. Насосы № 1, № 2, № 3, № 4 приводятся в работу высоковольтными синхронными электродвигателями марки ВДС0-325/69-16 напряжением 10 кВ, мощностью 8000 кВт, 325 об/мин. Из вспомогательного оборудования установлено:

две

задвижки

на

всасывающую

линию

Д-800

мм

с

электроприводом ТИ-1-13 и электродвигателем типа АОС2-31-4 мощностью 2,8 кВт, две задвижки на напорные линии Д-600мм с электроприводом ТИ-113 и электромотором типа АОС2-31-1, ЭД-160-115-2. По последним данным КПД межхозяйственных каналов Городищенской ОС составляет около 0,8.

41

Лузинская ОС. Система закрытого типа имеет около 12 тыс. га орошаемых земель, которые распределены между 6 отделениями. Каждое отделение функционирует автономно, имея в своем составе насосную станцию, распределительную сеть и дождевальные машины. Водозабор осуществляется из р. Иртыш, кроме того, около 15% объема воды, используемого для орошения сельскохозяйственных

культур,

забирается

из

отстойников-накопителей

животноводческих стоков. Второе отделение Лузинской ОС было выбрано нами в качестве объекта исследований в связи с тем, что в конце 80-х годов на базе этого отделения ВНИИГиМом и Институтом сточных вод «Прогресс» проводились агроэкологические исследования по нормированию орошения в целях снижения негативного влияния животноводческих стоков на состояние окружающей среды (при их утилизации). В процессе этих исследований была создана база данных по оросительной сети и дождевальной техники на основе проектной документации и натурных обследований элементов ОС. Рассматриваемый фрагмент оросительной сети второго отделения АО «Лузинский» включает насосную станцию (в составе которой 4 насоса общей производительностью 450 л/сек), распределительную сеть трубопроводов протяженностью около 12000 м, 25 единиц дождевальных машин («Волжанка» – 10, ДКН – 8, «Фрегат» – 7 единиц), общая орошаемая площадь около 650 га. Почвы луговые, по механическому составу – тяжелые суглинки. Наличие во ВНИИГиМ исчерпывающей базы данных по всем элементам оросительной сети хозяйства Лузино определило его выбор в качестве одного из объектов исследования и позволило выполнить работы по созданию имитационной модели фрагмента этой сети, которая использовалась для решения оптимизационной задачи по оперативному управлению производством поливов.

42

2.2 Теоретические и экспериментальные методы исследований Экспериментальные методы При

разработке

расчетных

схем

гидравлических

характеристик

функционирующей оросительной сети необходима проверка их адекватности и достоверности. Натурные наблюдения и измерения гидравлических параметров при различных режимах работы насосной станции и различных комбинациях включения дождевальных машин выполнялись на Городищенской ОС. Были проведены параметрические измерения напора на насосной станции при последовательном во времени включении одного, двух и трех насосов с одновременным измерением давления на гидранте включенной дождевальной машины «Фрегат» Измерения проводились в пятикратной повторности по принятой методике согласно ГОСТ 6134-71 («Насосы динамические. Методы испытаний.»). [62]. Полученные результаты подвергались статистической обработке и сравнивались с результатами расчета по гидравлической модели, работающей в стационарном режиме. Точность измерений ограничивалась точностью

установленных

манометров

–

0,05-0,1

бар.

Синхронность

регистрации давлений на насосной станции и на гидрантах достигалась с помощью мобильной связи.

Теоретические методы исследования Имитационное моделирование Имитационное моделирование - наиболее мощный и универсальный метод исследования и оценки эффективности систем, поведение которых зависит от воздействия случайных факторов. К таким системам можно отнести и мелиоративную сеть. Во многих практических задачах интерес представляет не только (и не столько) количественная оценка эффективности системы, сколько ее поведение в той или иной ситуации. Для такого наблюдения исследователь должен 43

располагать соответствующими «смотровыми окнами», которые можно было бы при необходимости закрыть, перенести на другое место, изменить масштаб и форму представления наблюдаемых характеристик и т.д., причем не дожидаясь окончания текущего модельного эксперимента. [71, 24] В рамках поставленной задачи по разработке имитационной модели оросительной сети необходимо дать математическое описание структуры и функций ОС. Как правило, структура пространственно-распределенных объектов, к которым можно отнести оросительную систему, описывается с использованием ГИС технологий. В нашем случае для имитационной модели оросительной сети её функции можно задать с помощью блока, описывающего динамику гидравлических режимов работы сети (гидравлическая модель сети), и блока оптимального управления организацией производства поливов (решение оптимизационной задачи). Применение ГИС технологий Работа по описанию структуры ОС и оросительной сети выполнялась в ArcGIS Desktop – с набором интегрированных приложений: ArcMAP, ArcCatalog и ArcToolbox. Использовалась референцная система 1942 г. В качестве координатной поверхности в этой системе используется поверхность эллипсоида Красовского (СК 42). Основной

топографической

информацией

послужили

следующие

материалы: топографические карты 1:50 000 и 1:100 000; космические снимки в системе WGS 84. Топографические карты были привязаны в ArcMAP с помощью инструмента Georeferencing Tool. Создана структура базы данных для ввода и анализа экспериментальных данных. С помощью ArcCatalog была сформирована база геоданных, включающая: растровые карты формата .tif и .jpg; таблицы атрибутивной информации; шейп-файлы.

ArcCatalog предоставляет возможность сразу задать тип отображения объектов слоя: полигон, линия или набор точек; быстро просматривать доступные данные. Функция «Поиск» позволяет быстро находить нужные 44

данные, как по их географическим признакам, так и по системным параметрам (например, местоположение, дата, тип данных).

ArcMAP 9.2 - основной рабочий модуль ArcGIS Desktop. Это ГИСприложение, используемое для решения многих картографических задач, включая пространственный анализ и редактирование данных. ArcMAP позволяет работать с картографическим представлением информации. Окно ArcMAP состоит из двух частей: связанные таблицы и окна отображения данных. Связанная таблица сходна с легендой карты: в ней перечисляются все слои карты и фреймы данных (специальные структуры, объединяющие слои), отображаются условные обозначения и подписи слоев. Через связанную таблицу обращаются к контекстному меню слоя и к диалогу свойств слоя. Для отображения данных, а также для оформления карт в ArcMAP имеется

обширная

библиотека

символов

и

готовых

элементов

карт

(масштабных линеек, стрелок севера, рамок и т.д.). Символы и элементы карт, предназначенные для карт определенного типа, объединены в cтили по темам. Каждый стиль может содержать внемасштабные, линейные и площадные условные обозначения, наборы текстовых символов, различные варианты картографических сеток, цветовые шкалы, различные шаблоны легенд, рамки карт и т.д. В приложении ArcMAP 9.2 с помощью дигитайзера были созданы тематические слои: 

распределительная сеть;



горизонтали;



дороги.

Методики гидравлических расчетов При

разработке

имитационной

модели

оросительной

сети

нами

используются паспортные характеристики насосной станции, трубопроводов и трубопроводной арматуры, а также дождевальной техники. Ниже излагаются основные методические подходы к гидравлическим расчетам режимов работы

45

основных

элементов

оросительной

сети

–

насосной

станции,

распределительной сети, дождевальной техники и регулирующей арматуры. Насосная станция. Изменение напора насоса Нн связано с изменением расхода воды через него Qн и изменением частоты вращения n ротора насосного агрегата. Изменение величины n зависит от момента двигателя Mдв и насоса Mн. Величина Мдв является функцией п, а величина Мн функцией n и Qн. Зависимости между величинами Qн, Нн, Mн, и n определяются характеристиками насоса. Характеристики, описывающие работу насоса для всех возможных режимов, называются четырех-квадрантными или полными. Эти характеристики позволяют по известным формулам рассчитать КПД насосной станции и количество потребляемой энергии (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Характеристики насоса 1Д315-50 46

Распределительная сеть состоит из трубопроводов и трубопроводной арматуры, которая подразделяется на запорную, запорно-предохранительную, предохранительную, регулирующую, аэрационную и монтажную. Для

арматуры

водопроводящей

сети

используются

паспортные

зависимости коэффициента гидравлического сопротивления от степени открытия задвижки либо затвора [45]. Расходно-напорные характеристики дождевальных машин определяются их

конструктивными

особенностями,

характеристиками

дождевальных

аппаратов или насадок, суммарными потерями по длине труб машины, местными потерями.

2.3 Программное обеспечение Основные программные единицы разрабатываемой модели оросительной сети выполнялись с использованием высокоуровневого языка технических расчетов программного комплекса MATLAB (версии 2009b). MATLAB представляет собой основу всего семейства продуктов MathWorks и является главным инструментом для решения широкого спектра научных и прикладных задач в таких областях как: моделирование объектов и разработка систем управления, проектирование коммуникационных систем, обработка сигналов и изображений,

измерение

сигналов

и

тестирование,

гидродинамическое

моделирование, вычислительная биология и другие.

MATLAB

–

это

высокоуровневый

язык

технических

расчетов,

интерактивная среда разработки алгоритмов и современный инструмент анализа данных. MATLAB по сравнению с традиционными языками программирования (C/C++, Java, Pascal, FORTRAN) позволяет на порядок сократить время решения типовых задач и значительно упрощает разработку новых алгоритмов [53]. Пакет

MATLAB

включает

ряд

алгоритмов

для

решения

оптимизационных задач, в том числе, генетический алгоритм, градиентный спуск, методы исследования функций классического анализа; методы, 47

основанные

на

динамическое

использовании

неопределенных

программирование;

принцип

множителей

Лагранжа;

максимума;

линейное

программирование; нелинейное программирование и другие. В состав MATLAB входит среда GUIDE для создания приложений с графическим интерфейсом пользователя. Работа в этой среде достаточно проста – элементы управления (кнопки, раскрывающиеся списки и т.д.) размещаются при помощи мыши, а затем программируются события, которые возникают при обращении пользователя к данным элементам управления. Приложение может состоять как из одного основного окна, так и нескольких окон и осуществлять вывод графической и текстовой информации в основное и отдельные окна приложения. Ряд функций MATLAB предназначен для создания стандартных диалоговых окон открытия и сохранения файла, печати, выбора шрифта, окна для ввода данных и др., которыми можно пользоваться в собственных приложениях. Встроенный

модуль

Statistics

Toolbox

имеет

широкий

спектр

инструментов для статистических вычислений. Основные его возможности включают: регрессионный анализ и диагностика с выбором переменной, нелинейное моделирование, моделирование вероятностей и оценка параметров, анализ чувствительности с использованием генератора случайных чисел, управление статистическими процессами и планирование эксперимента. С помощью данного пакета выполнена обработка исходных материалов, статистический

анализ,

имитационное

моделирование.

Кроме

этого

использовались программные продукты: Microsoft Excel, Abobe Photoshop, AutoCAD.

48

Выводы к главе 2

1.

Изложенный

экспериментальных управлению

и

поливами

методический теоретических на

ОС

подход

исследований

закрытого

типа

к

выполнению

по

оптимальному

позволяет

изучать

гидравлические режимы функционирования оросительной сети, формировать эксплуатационные графики полива на крупных внутрихозяйственных ОС. Результаты исследований явились основой для создания имитационной модели оросительной сети с использованием современных программных комплексов.

2.

Предложенные методы построения вычислительных схем расчета

гидравлических режимов для элементов закрытой оросительной сети позволяют проверять адекватность гидравлических расчетов для насосной станции, распределительной сети и дождевальных машин.

49

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИВОВ Управление режимом работы оросительной сети при производстве поливов, включает выбор режима работы насосной станции, формирование графика проведения поливов дождевальными машинами (ДМ), определение технологических параметров их работы, обеспечивающих заданную поливную норму и требуемую производительность. Определение давления на насосной станции и дождевальной технике путем сопряжения расходно-напорных характеристик сети и насосной станции является одним из необходимых элементов

управления,

поскольку

при

любом

изменении

комбинации

включения ДМ в соответствие с графиком поливов во всех узлах закрытой оросительной сети изменяется напор. Очевидно, что для точной реализации заданной поливной нормы необходимо знать свободный напор на гидранте для определения расхода, продолжительности полива на позиции, скорости передвижения и других параметров, определяющих производительность и норму обслуживания ДМ, а также потребление электроэнергии насосной станцией. Кроме того, контроль режима работы ДМ позволяет точнее рассчитать брутто поливной нормы, качество дождя и его эрозионное воздействие. На крупных внутрихозяйственных оросительных системах, в практике управления которыми отсутствуют в необходимом количестве измерительные или информационные средства контроля гидравлических параметров сети, режим работы насосной станции задается в соответствии с числом и типом включенных ДМ, а обеспечение необходимого давления осуществляется за счет регулирующей арматуры, что приводит к снижению КПД системы. Используемые в настоящее время методы расчета режима работы сети и ДМ при производстве поливов, в основном, базируются на устаревших эмпирических методах и экспертных оценках. Использование таких подходов к управлению поливами приводит к переувлажнению почвы, нарушению графика гидромодуля и дефициту влагообеспеченности посевов. Представляется 50

актуальным применение вычислительной техники в системе управления оросительной сетью, обеспечивающей работу в области высоких к.п.д., что возможно при постоянном контроле давления в основных узлах и на исполнительных устройствах. Контролировать напор в основных узлах сети можно несколькими способами: 1. Установка измерительного оборудования. Из положительных сторон такого подхода следует отметить точность измерений и их достоверность; недостатком является увеличение капитальных и эксплуатационных расходов (установка

датчиков

и

прокладка

коммуникационных

линий).

При

эксплуатации измерительных приборов возникает необходимость обеспечения их безопасности (например, использовать антивандальные корпуса или создать дополнительную

службу

охраны

дорогостоящего

измерительного

оборудования).

2. Создание

численной

гидравлической

имитационной

модели

оросительной сети. Положительной стороной такого решения являются низкие капитальные и эксплуатационные затраты. Численная модель позволит оперировать гидравлическими характеристиками не только в основных узлах сети, но и в любой интересующей нас точке, в т.ч. при локализации аварий. Из недостатков необходимо отметить то, что характеристики сети в результате ремонтов, замены трубопроводной арматуры, физического

устаревания

изменяются во времени, что может отразиться на точности расчетов. Однако в любом случае модель будет работать в комплексе с измерительным оборудованием на насосной станции и на отдельных узлах сети. Это необходимо для периодической калибровки модели или ее адаптации в режиме реального времени к характеристикам фактического состояния сети. В разработке модели должны учитываться основные факторы, которые могут существенно влиять на режим работы сети: 

пространственная структура распределительной сети;



протяженность и сечение трубопроводов; 51



запорная, регулирующая и предохранительная арматура;



гидравлические сопротивления трубопроводов;



рельеф местности (геодезические потери напора);



характеристики насосов и двигателей;

Учет этих факторов существенно усложняет алгоритм гидравлических расчетов для оросительной сети, имеющей несколько десятков дождевальных машин. Необходимость разработки гидравлической модели оросительной сети следует

из

постановки

оптимизационной

задачи,

лежащей

в

основе

оперативного управления исполнительными устройствами при реализации плана орошения сельскохозяйственных культур. Поскольку любые методы решения оптимизационных задач основаны на сравнении частных значений целевой функции, то очевидно, что каждый из возможных вариантов организации поливов должен удовлетворять ограничениям, обусловленным техническими параметрами ОС, и обеспечивать определение технологических параметров работы элементов ОС (насосная станция, дождевальная техника). Изложенная задача может быть решена только с использованием такой имитационной гидравлической модели оросительной сети, которая позволит выполнять расчет давления в любых узловых точках сети, при любой комбинации

включенных

дождевальных

машин

и

любом

количестве

работающих насосов.

3.1 Гидравлическая модель закрытой оросительной сети Гидравлическая

модель

включает в

себя

расчет

гидравлических

характеристик сети с учетом эксплуатационных параметров дождевальной техники,

насосной

станции

и

потребляемой

мощности.

Кроме

того,

гидравлическая модель должна отвечать некоторым требованиям, которые обеспечат решение оптимизационной задачи управления производством поливов. Перечень факторов, учитываемых при моделировании, был приведен выше; отметим, что одним из необходимых требований является высокая 52

скорость выполнения расчетов. В противном случае, существенные затраты времени на перебор всех возможных вариантов включения ДМ и сопряжение их напорно-расходных характеристик с напорно-расходными характеристиками насосной

станции

будет

являться

препятствием

для

своевременного

информационного обеспечения и принятия решений ЛПР. Особенность алгоритма гидравлических расчетов. Для реализации высокоэффективной расчетной схемы гидравлической модели нами предложен алгоритм, особенностью которого является использование предварительно идентифицированных напорно-расходных характеристик каждого структурного элемента оросительной сети. Для определения совокупности возможных рабочих

точек

(этап

синтеза)

по

некоторому

правилу

суммируются

характеристики включенных ДМ в соответствии с их расположением на оросительной сети. Суммирование начинается от самой удаленной по сети работающей ДМ; к её характеристике прибавляется характеристика потерь в трубопроводе до структурного узла, под которым мы понимаем: место присоединения

к

ветке

очередной

работающей

ДМ,

разветвление

трубопровода, либо изменение его диаметра или наличие трубопроводной арматуры. При этом возможны два варианта сложения функций: в случае увеличения расхода за счет присоединения очередной (работающей) ДМ или ветки, на которой имеется работающая ДМ, сложение функций производится по абсциссе (расходу), в случае изменения характеристик трубопровода сложение производится по оси ординат (напору). Блок-схема расчета представлена на рисунке 3.1.

53

Рис. 3.1 Блок-схема алгоритма расчета напорно-расходных характеристик сети

54

По такому принципу производится синтез функций, описывающих напорно-расходные

характеристики

элементов

сети

до

насосной

станции (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Пример расчета расходно-напорных характеристик в узловой точке («Узел 5-2») Пересечения напорно-расходных характеристик сети и характеристик насосной

станции

(при

переменном

количестве

работающих

насосов)

определяют все возможные рабочие точки сети (рис. 3.3). Полученные точки пересечения напорно-расходной характеристики сети с

характеристиками

насосных

установок,

представленные

графиками

(функциями) совместной работы насосных установок позволяют выбрать наиболее приемлемый режим работы насосной станции. По полученным рабочим точкам производится определение напоров на ДМ в зависимости от количества работающих насосов, рис.3.4. Далее для всех работающих машин анализируются варианты свободного напора на гидрантах и выбирается количество работающих насосов, удовлетворяющее техническим параметрам всех включенных ДМ.

55

Рис. 3.3 График совместной работы четырёх насосов (марка 1Д315-50) и распределительной сети с подключенными ДМ

Рис. 3.4 Возможные рабочие точки, отмеченные на напорно-расходной характеристике ДМ28 («Волжанка») при разных режимах работы насосной станции Для представления напорно-расходных характеристик в виде функций применимы полиномы второй и третьей степени, а также матрицы. Наш опыт работы по аппроксимации напорно-расходных характеристик различными 56

функциональными зависимостями показал, что наиболее подходящими являются полиномы второй степени, рис. 3.5. Это объясняется тем, что вид такой зависимости наибольшим образом соответствует математическому описанию гидравлических законов и имеет наименьшую невязку при аппроксимации опытных данных.

Рис. 3.5 Сравнение различных методов описания функций напорнорасходных характеристик Исходные данные, используемые для построения модели Исходными данными для численной имитационной модели служат: схема закрытой оросительной сети, рис. 3.6; паспорта трубопроводов, включая их гидравлические характеристики; геодезические отметки узлов сети, рис 3.7; паспорта на запорную, регулирующую и предохранительную арматуру; паспорта на дождевальную технику; характеристики насосов и двигателей. Эти необходимые

для

модели

характеристики

сети

были

объединены

в

тематические слои в геоинформационной системе (ГИС) на базе «ArcMap 9.3» (рис. 3.6) с их привязкой к соответствующей базе данных, включающей описание параметров элементов сети. Например, для слоя «Трубопровод» база 57

данных включает привязку к географическим и геодезическим координатам, а также длину, диаметр, шероховатость, и т.д.

Рис.3.6 Фрагмент Лузинской ОС в «ArcMap 9.3». (Слои: аэрофотосъемка орошаемого участка, схема оросительной сети)

Рис.3.7 Фрагмент базы данных по тематическому слою «Трубопровод» По такому же принципу создана база данных по дождевальным машинам (ДМ).

Расходно-напорные

характеристики

ДМ

определяются

их

конструктивными особенностями, характеристиками дождевальных аппаратов или насадок, суммарными потерями по длине труб машины, местными 58

потерями. По паспортным данным десяти дождевальных машин построены графики их напорно-расходных характеристик с учетом геодезических потерь в сети, рис. 3.8. В модели также используются напорные характеристики насосной станции, имеющей несколько агрегатов, совместная работа которых с сетью представлена на рисунке 3.3.

Рис. 3.8 Расходно-напорные характеристики (с учетом геодезических потерь) десяти дождевальных машин 2-го отделения Лузинской ОС Расчет

гидравлических

потерь

при

движении

жидкости

в

трубопроводе Потери давления в трубопроводе на трение потока воды о стенки трубопровода определяются диаметром и длиной трубопровода, материалом из которого он изготовлен и расходом воды через трубопровод. В модельных расчетах гидравлических потерь по длине трубопроводов используется формула

Вейсбаха-Дарси

[64]

для

турбулентного

установившегося

равномерного движения жидкости. Для круглых труб общая зависимость для определения потерь по длине имеет вид: hl  

l V2 ,  D 2 g

(3.1)

59

где l – длина трубопровода, м; V – средняя скорость, м/с; D – диаметр трубопровода, см.;  – коэффициент гидравлического трения; g – ускорение свободного падения, м/с2. Для

труб

с

разнозернистой

шероховатостью

коэффициент

гидравлического трения определяется по формуле Кольбрука:  2,5 1 r   ,  2  lg   Re 3 , 7    D 

1

(3.2)

где  – коэффициент гидравлического трения;  r ,  – относительная и эквивалентная

шероховатость

(высота

выступов

шероховатости)

 ; Re D – число Рейнольдса выраженное через D

соответственно, мм, r 

диаметр трубопровода, Re D 

V D ; V – средняя скорость; D – диаметр 

трубопровода;  – кинематический коэффициент вязкости, см2/с; V 

4Q D

2

;Q–

расход трубопровода, м3/с. Учет изменения диаметра трубопровода в гидравлических расчетах Изменение диаметра трубопровода является местным гидравлическим сопротивлением. Существует 3 вида изменения диаметра трубопровода: Резкое сужение/расширение;

постепенное

сужение/расширение;

плавное

сужение/расширение. В мелиоративных сетях принимается, в основном, постепенное сужение/расширение при изменении диаметра. Существует два упрощенных метода расчета: с использованием полуэмпирических формул (с постоянными коэффициентами снижения давления) или расчетной зависимости потерь напора от числа Рейнольдса. Для

полуэмпирических

формул

коэффициент

падения

давления

определяется согласно [64]: К ув

   К корр  1  I   II

  

2

60

К ум

   К корр  0.5  1  I   II

  

0.75

где К ув – коэффициент потери давления при увеличении диаметра; К ум – коэффициент

потери

давления

при

уменьшении

диаметра;

К корр –

корректирующий коэффициент; I – площадь меньшего трубопровода; II – площадь большего трубопровода; Граничными условиями является равенство расходов и напоров в сечениях, примыкающих в точке изменения диаметра H I  H II , QI  QII (индексом I обозначено сечение перед граничной точкой по направлению движения воды, а индексом II после этой точки). Учет разветвлений трубопровода в гидравлических расчетах Граничные условия в этой точке аналогичны предыдущему случаю, поскольку его можно рассматривать как частный случай разветвления при двух сходящихся линиях: равенство напоров в сечениях, примыкающих к точке разветвления и равенство нолю алгебраической сумме расходов в узле H I  H II  H III  H VI и QI  QII  QIII  QVI . Практически в оросительных сетях в

узле не сходятся более четырех трубопроводов. При уменьшении давления в точке-разветвлении ниже значения hmin учитывается образование разрыва сплошности потока.

Отбор воды из сети на орошение Отбор воды на орошение осуществляется на гидрантах в местах присоединения дождевальных машин. Граничными условиями являются: баланс расходов в точке отбора и равенство давления в этой точке потерям напора в устройстве для отбора воды. ДМ могут быть присоединены в концевых и промежуточных точках сети, которые могут быть (в частных случаях) точками изменения диаметра.

61

Эксплуатационные характеристики дождевальной техники Орошаемая каждой ДМ площадь в данный момент времени

t

определяется функцией:



t FДМ  f l ДМ i , RtДМ i i



t где FДМ — орошаемая площадь, га ; l ДМ i - длина ДМ, м; R tДМ i - радиус i





полива, R tДМ i  f H tДМ i , м; H tДМ i — напор ДМ, м. Интенсивность дождя (мм/мин) каждой ДМ в данный момент времени t определяется как: I

t ДМ i



60  Q tДМ i t 10  F ДМ i

t где Q tДМ i - расход ДМ, м 3 сек ; F ДМ — орошаемая площадь, га; 60 и 10 i

коэффициенты перевода размерности.

3.2 Результаты сценарных исследований работы закрытой оросительной сети Для проверки возможности функционирования гидравлической модели при сравнительно сложной комбинации оросительной сети использовались данные, полученные из проектной документации Лузинской ОС. Измерения давления в сети и на гидрантах для калибровки имитационной модели проводились

с

помощью

тарированных

манометров.

Расход

воды

дождевальными машинами и равномерность распределения дождя измерялись с помощью осадкомеров по общепринятой методике. На примере структурного узла 5-2 при комбинации включения ДМ, представленной на рисунке 3.9, рассмотрим вариант расчета характеристик этого узла (галочками отмечены включенные ДМ №№ 28, 29, 30, 31, 32, 33).

62

Рис. 3.9. Схема закрытой оросительной сети Дождевальные машины № 30, 31, 32, 33 находятся выше узла 5-3 и их суммарные характеристики уже рассчитаны на предыдущем шаге. Так как машины №28 и №29 работают параллельно на одном трубопроводе, то их характеристики суммируются по оси абсцисс. Характеристика узла 5-3 прибавляется по такому же правилу. Далее, рассчитывается функция потерь по длине трубопровода «05:02-03», которая складывается уже по оси ординат, так как эти элементы соединены в сети последовательно. В результате получена расходно-напорная характеристика узла 5-2 (см.рис. 3.5). Предлагаемая

методика

расчета

гидравлического

режима

функционирования ЗОС основана на операциях с функциями. Преимущества предложенной

методики

гидравлического

расчета

по

сравнению

с

итерационным методом состоят в ее высокой эффективности, обеспечивающей высокую скорость и точность вычислений, что позволяет использовать её в многовариантных оптимизационных задачах организации поливов на крупных оросительных

системах

закрытого

типа,

контролировать

напор

и 63

характеристики дождя поливной техники.

3.3 Оценка достоверности расчетов по гидравлической модели Проверку адекватности расчетов падения давления в сети проводили с использованием опытных данных, полученных ранее на производственном участке № 2 Лузинской оросительной системы до начала поливного сезона в период

пробных

запусков

насосной

станции

и

проверки

готовности

дождевальных машин к проведению поливов. Проверка проводилась путем постановки численных экспериментов. Расчетные и полученные с помощью инструментальных методов данные представлены в табл. 3.1. Таблица 3.1. Сравнение натурных и расчетных данных Натурные измерения Результаты расчета Давление Давление Давление Давление на на Условия эксперимента на машине, на машине, насосной насосной м м станции, м станции, м Работа 1 насоса 1 - Фрегат №58 56,10 54,40 56,03 54,33 Параллельная работа 2 насосов 1 - Фрегат №58 63,20 61,10 63,10 61,21 Параллельная работа 2 насосов 1 - Фрегат №56 46,00 45,58 2 - Фрегат №57 47,40 47,20 47,23 47,13 3 - Фрегат №58 45,80 45,65 Параллельная работа 3 насосов 1 - Фрегат №56 53,90 54,33 2 - Фрегат №57 57,10 56,00 56,47 56,30 3 - Фрегат №58 52,10 54,63 54,10 52,06 53,78 52,39 Среднее значение 0,32125 -0,33252 Среднее отклонение Коэффициент корреляции 0,99912732 0,98704973 Результаты

сравнения

показывают

достаточно

высокую

точность

гидравлических расчетов и возможность использования разработанной модели для решения практических задач. Статистическая обработка данных измерений 64

и расчетных значений давления на входе ДМ показала высокую достоверность расчета. Коэффициент корреляции между измеренными и рассчитанными значениями составляет 0,99.

3.4 Расчет нормы обслуживания дождевальной техники в зависимости от технологических параметров полива В процессе решения оптимизационной задачи по формированию графика полива основными ограничениями на количество орошаемых контуров и включенных машин являются гидромодуль сети и наличие операторов дождевальной техники. Учет этих ограничений в оптимизационной задаче обеспечивается с помощью гидравлической модели сети. Для определения технологических параметров необходимо рассчитать давление воды на всех работающих машинах в отдельности для каждого временного интервала, в котором комбинация включенных машин не меняется согласно полученной схемы комплектации. По давлению воды на машине, ее напорно-расходной характеристике и поливной норме нетто оценивается время полива на позиции. С учетом времени полива рассчитываются потери на испарение и смачивание листовой поверхности культуры и только после этого определяется поливная норма брутто. Далее, по поливной норме брутто корректируется продолжительность цикла и производительность ДМ за смену. Алгоритм

расчета

сменной

выработки

и

нормы

обслуживания

самодвижущихся дождевальных машин и машин позиционного типа в зависимости от конструктивных особенностей, давления воды и поливной нормы представлен ниже. Используемые в алгоритме исходные данные взяты из справочных материалов, табл. 3.2.

65

Таблица.3.2. Затраты времени на выполнение операций по обслуживанию ДМ «ФРЕГАТ» Наименование операции 7 Подготовительно -завершительное время, Т пз , мин Технический уход на 1 оборот, Т ум , мин

Число тележек 8

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Коэффициент организации тех. обслуживания, k обс

Апх 100 Али 100 Сменная норма выработки рассчитывается по формулам:

H s  TО  w , где TО — продолжительность непрерывной работы ДМ за смену; w — производительность машины за час основного времени ( га час ); w  3.6 

Qm ; mb

где Qm - расход машины, л/с; m — поливная норма; b — коэффициент учитывающий потери воды на испарение; 3,6 - коэффициент перевода л/с в м куб/час.

66

«Фрегат» «Волжанка» и ДКН Т  Т пз  Т ли  Т  Т пз  Т ли  Т О  см Т О  см 1  t об 1  t об  t в где Т см — продолжительность смены в час; задается во входных данных (технологический паспорт) Т пз — подготовительно-заключительное время: см. табл. 3.2 см.табл. 3.3 Т ли - время на личные надобности в часах: 0.17 0.17 kобс - коэффициент организации тех. обслуживания см. табл. 3.2 см.табл. 3.3 tв - коэффициент вспомогательного времени: 600  Q м  Т В tв  м  В р  lп  b где Т В - см. табл. 3.3, в минутах; В р - рабочая ширина захвата машины - длина в метрах; lп - расстояние между гидрантами или соседними позициями

Для данного типа дождевальных машин не рассчитывается

Таблица 3.3. Затраты времени в расчете на одно рабочее крыло ДМ «Волжанка» Модификации машин Наименование операции Подготовительно -завершительное время, Т пз , мин. Время вспомогательной работы, Т В , мин. Коэффициент организации тех. обслуживания, k обс

13,3

12,4

11,1

10,2

8,9

8,0

8,9

8,0

23,0

21,1

19,3

17,0

16,0

14,9

18,0

16,9

0,03

0,026

0,022

0,019

0,015

0,011

0,015

0,011

67

Число машин, работающих в одном режиме полива (подразумевается близость или равность времени на позиции при поливе) и которое может обслужить один оператор, определяется с учетом полного использования рабочего дня (времени смены), рассчитывается по формуле: N маш 

Т пп  k q Tз

где N маш — число машин, обслуживаемых одним оператором за смену;

Т пп — время непрерывного полива машиной на одной позиции; для ДМ Фрегат Т пп  TО ;

kq —

коэффициент,

учитывающий

микропаузы

в

работе,

устанавливается в пределах 0,9-0,95; Tз — время занятости исполнителя при обслуживании

одной

машины,

Tз  Tпз  Т пп  K ;

К — коэффициент,

учитывающий всю сумму затрат времени оператора на обслуживание одной машины. Примеры расчета норм выработки и обслуживания Пример расчета норм выработки и обслуживания для ДМ «Фрегат» Исходные данные Число тележек Поливная норма Расход машины (из расчетов по имитационной гидравлической модели) Радиус полива при включенном концевом аппарате Коэффициент потерь воды на испарение b Продолжительность смены Время полного технического обслуживания после полного оборота (см. табл. 1. — Т ум ). Коэффициент организации тех. обслуживания, (см. табл.

1. — kобс ) Т пз Подготовительно-заключительное время, (ежесменное) Время на личные надобности, Т ли

17 400 м 3 га 90 л с 513 м 1 7 час 306 мин 0,09 0,25 час 0,17 час

Рассчитываем коэффициент, учитывающий время перерывов в подаче 68

воды на поле, связанные с переездом машины на следующую позицию: k пто 

600  Qm (400)   Т пер  Т пмт  Т пмр    R2  m b

Если машина не перемещается на другую позицию, то этот коэффициент не рассчитывается, k пто  0 . Определим время основной работы, час.

ТО 

Т см  Т пз  Т ли  7  0.25  0.17   6.04ч 1  kобс  k пто 1  0.09  0

Производительность машины за час основного времени, га час w

3.6  Qm 3.6  90   0.81 га час mb 400  1

Сменная норма выработки, га смена

H 0  Т 0  w  4.9 Расчет норм обслуживания Определим

коэффициент,

учитывающий

время

технического

обслуживания после каждого полного оборота машины: k ту 

w  Т ум

0.006    R   0.05 2

Коэффициент, учитывающий время перехода оператора от одной машины к другой, равен:

k пх  A 100  1  k обс  k ту   7 100  1  0.09  0.05  0.0798 ,

где А - процент времени, затрачиваемого на переход, относительно затрат времени на организационно-техническое обслуживание. Определяется коэффициент времени на отдых:

kотд  Али 100  k обс  k ту  k пх   7 100  0.09  0.05  0.0798  0.0154

Суммарный коэффициент, учитывающий время на выполнение всех приемов по обслуживанию машины, равен: К  kобс  k ту  kпх  kотд  0.09  0.05  0.0798  0.0154  0.2352

69

Общее время на обслуживание одной машины составит:

Т з  Т пз  Т О  К  0.25  6.04  0.2352  1.67ч. Число обслуживаемых машин составит N

Т О  kq Тз



6.04  0.9  3.2  3 1.67

Пример расчета норм выработки и числа обслуживаемых машин на одного оператора для ДМ «Волжанка» приведен ниже. Исходные данные Поливная норма Расход машины (из расчетов по имитационной гидравлической модели) Коэффициент потерь воды на испарение, b Рабочая ширина захвата (2-х крыльев), В р , м Площадь поливаемая с одной позиции, Fпп , га Расстояние между позициями, lп , м Продолжительность смены Коэффициент организации тех. обслуживания, кобс Подготовительно-заключительное время на одно крыло, Т пз Время на личные надобности, Т ли

300 м 3 га 64 л с 1 800 м 1.44 га 18 м 7 час 0,03 0,22 час 0,17 час

Время вспомогательной работы при переезде крыла от одного гидранта до следующего составляет Т в  23 минуты на одно крыло (См. табл. 3.2). Коэффициент, учитывающий вспомогательное время для заданных условий kв 

600  Q м  2  Т в 600  64  2  23   0.409 m  В р  lп 300  800  18

где 600 — коэффициент размерности; 2 — число крыльев. Время основной работы: ТО 

Т см  Т пз  Т ли  7  0.22  0.17    4.6 1  k в  kобс 1  0.408  0.03

Производительность машины за час основного времени, га час 70

w

3.6  Qm 3.6  64   0.768 га час mb 300  1

Сменная норма выработки, га смена

H 0  Т 0  w  4.68  0.768  3.59 Для расчета норм обслуживания вычислим коэффициент времени на переход от машины к машине

kпх  A 100  1  kобс  kв   7 100  1  0.408  0.03  0.099 Коэффициент времени на отдых и личное время оператора:

kотд  Али 100  kобс  kв  k пх   7 100  0.408  0.03  0.099  0.038 Суммарный коэффициент, учитывающий время на выполнение всех приемов по обслуживанию машины, равен:

К  kобс  kв  k пх  kотд  0.03  0.409  0.099  0.038  0.573 Продолжительность полива на одной позиции рассчитывается по формуле: Т пп 

Fпп  m 1.44  300   1,88ч 3.6  Q м 3.6  64

Общее время на обслуживание одной машины составит:

Т з  2  Т пз  Т пп  К  2  0.22  1.88  0.573  1.51ч. Число обслуживаемых машин составит: N

ТО  Кq Тз



6.04  0.9  3.2  3 1.67

Количество дождевальных машин, обслуживаемых одним оператором, определим из формулы: Nм 

Т пп  К q Tпз  Т пп  К



1.9  0.9  1.36  1 машина или два крыла.

0.22  1.9  0.546

Расчет норм обслуживания поливной техники не учитывает ряд специфических особенностей, которые не могут быть включены в строгий алгоритм, и которые легко могут быть оценены экспертно пользователем (ЛПР).

Однако

возможность

регулирования

комплектования

графика 71

производства поливов по фактическим трудовым ресурсам имеет большое практическое значение, так как позволяет повысить эффективность работы бригады операторов. При комплектовании графика производства работ бригадой операторов ДМ учитываются следующие факторы: - техническое состояние ДМ; - необходимость прочистки дождевальных аппаратов и насадок при использовании на орошение воды повышенной мутности; - погодные условия; - микрорельеф; - орошаемые сельскохозяйственные культуры и др. Как правило, совокупность таких условий целесообразно группировать по контурам, введя коэффициент эффективности эксплуатации машин К Э ( К Э1 фронтального действия, К Э 2 - кругового и т.д.). Значения этих коэффициентов определяются экспертным путем, задаются по контурам и могут изменяться в течение поливного сезона. Значения коэффициентов необходимо формировать в виде матрицы по декадам или месяцам. Точность задания – два знака после запятой (например, 0,75 или 1,15). Тогда расчет норм обслуживания с учетом данных коэффициентов эффективности эксплуатации несколько изменится. Число машин (работающих в одном режиме полива и находящихся в доступной для

одного

оператора

зоне),

которое

может

обслужить

оператор,

рассчитывается по формуле: N маш 

Т пп  К q TЗ  К Э

;

где N маш - число машин, обслуживаемых одним исполнителем за смену;

Т пп - время непрерывного полива машиной на одной позиции; для ДМ «Фрегат» Т пп  TO - коэффициент, учитывающий микропаузы в работе и устанавливается в пределах 0,9-0,95; TЗ - время занятости оператора при обслуживании

одной

машины,

TЗ  Т ПЗ  Т пп  К ;

К

–

коэффициент,

учитывающий всю сумму затрат времени оператора на обслуживание одной 72

машины; К Э - коэффициент эффективности эксплуатации.

3.5 Оценка эрозионных процессов при поливе дождеванием Значимым фактором ирригационной эрозии является водопроницаемость, которая определяется процессами впитывания и фильтрации, и которая влияет на величину и интенсивность поверхностного стока. От водопроницаемости и мехсостава зависит количество смываемой почвы, инфильтрационный вынос биогенных веществ в грунтовые воды, величина эрозионно-допустимой поливной нормы и др. [13]. Изучению процесса впитывания воды в почву посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых в области физики почв, гидрологии, гидрогеологии и мелиорации [1; 8; 35; 44; 59; 61]. Анализ литературных данных показывает, что динамика впитывающей способность почвы существенно зависит

от

интенсивности

дождя,

влажности,

содержания

гумуса

и

оструктуренности почв [37], состояния поверхности почвы [8], дренирующего действия корневой системы растений [36, 37], эродированности [63], промораживания грунтов, плотности почвы [4], вида сельскохозяйственных культур и применяемой агротехники [21; 31], величины поливной нормы, сезона года и химического состава воды [43], суммарной поверхности частиц почвы, степени набухания, механического и минералогического состава дисперсной среды [32], содержания физической глины и др. [67]. Впитывание (начальная стадия инфильтрации) характеризуется полным поглощением воды при любой интенсивности дождя (до 25 мм/мин) (Рис. 3.10.). В этот непродолжительный период происходит заполнение крупных (не капиллярных) пор, трещин и пустот в верхнем слое почвы. По мере дальнейшего поступления воды интенсивность впитывания закономерно снижается и через некоторое время достигает постоянного значения. Такое изменение интенсивности инфильтрации характерно для всех почв.

73

Рис. 3.10. Совмещенный график зависимости скорости впитывания и образование поверхностного стока от времени (серые лесные почвы) Как правило, при орошении большая часть влаги впитывается в безнапорном режиме и лишь при образовании поверхностного стока (см. рис.

3.10) начинается напорное впитывание. В условиях изреженной растительности при поливе дождеванием промачивается в первую очередь поверхность почвы, далее влага перемещается равномерным фронтом согласно закону Фика, т.е. пропорционально перепаду давления на пути ее движения и коэффициента влагопроводности, зависящего от влажности. В увлажненном слое почвы происходят процессы разбухания почвенных агрегатов, в результате чего скорость впитывания снижается, и чем толще набухший слой почвы, тем скорость впитывания ниже [13]. Образовавшийся поверхностный сток приводит к эрозии. Влияние на интенсивность эрозии оказывает размер поливных норм. При поливных нормах 800 м 3 га смыв почвы за полив может

74

составить 4÷4.5 т га в среднем за 3 года. Предельно допустимая величина среднегодового смыва, например, для светло-каштановых почв 1,5 т га . Таким образом, при больших поливных нормах смыв уже при 1÷2-х поливах превышает предельно допустимую величину. Эти негативные процессы усугубляются при отсутствии комплексного подхода к управлению поливами. Снизить негативные последствия орошения позволяет комплекс мер по организации

поливов,

учитывающий

предполивную

влажность

почвы,

геодезические особенности орошаемой площади и особенности дождевальной техники.

Комплекс

средств

для

оперативного

управления

закрытой

оросительной сетью позволяет повысить эффективность использования водных и земельных ресурсов, что в полной мере способствует предотвращению ирригационной орошаемого

эрозии,

и,

земледелия.

следовательно,

повышению

эффективности

Применение

подобных

систем

даст

противоэрозионный эффект на участках со сложным микрорельефом, а также на склонах со значительными местными уклонами.

3.6 Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления В предварительных расчетах были приняты агротехнические требования, лимитирующие параметры искусственного дождя. Интенсивность при норме полива до 300 м3 га составляет: до 0.3 мм мин – для песчаных почв, до 0.2 мм мин – для легких суглинистых почв, 0.1÷0.2 мм мин – для средних и

тяжелосуглинистых почв [41, 68]. Согласно [46; 47], оптимальное значение интенсивности дождя не превышает 0.25 мм мин . При импульсном дождевании интенсивность может повышаться до 0.5 мм мин [38; 41]. Тогда полагая, что полив происходит по всему орошаемому сектору, площадь которого определяется длиной машины и радиусом струи дождевальных аппаратов.

75

Средняя фиктивная интенсивность должна удовлетворять условию: IF 

Q  I доп F

где F — площадь орошаемого сектора, м 2 ; I F - средняя фиктивная интенсивность дождя, мм мин ; Q - расход дождевальной машины л мин ; I доп - средняя допустимая интенсивность дождя, мм мин . Скорость впитывания и расчет количества впитавшейся воды в почву (в зависимости от начальной влажности верхнего слоя почвы, состояния поверхности

почвы,

интенсивности

рельефа,

дождя)

состояния

определяется

растительного

эмпирическим

покрова

уравнением

и

вида

(Добрачёв Ю.П.): V t  

V0 WS   1  q 

at

      1bq     L    ln  i        e  

 kф

где V t  - скорость впитывания, мм мин ; V0 WS  - начальная скорость впитывания, зависящая от влажности почвы, мм мин ; t - время от начала дождя, мин; q - интенсивность дождя, мм мин ; Li - листовой индекс растительного покрова, м 2 м 2 ; kф - коэффициент фильтрации, мм мин ; a, b, α, β эмпирические коэффициенты; e - основание натурального логарифма. Объем жидкого стока (W) определяется по формуле: t i  t  W  V ti   qti ; при W  0   t0  W  0; при W  0 

где V t i  - скорость впитывания, мм мин ; qt i  — интенсивность дождя,

мм мин ; t i — текущий промежуток времени, мин ; t — шаг эксперимента. На рисунке 3.11 приведены результаты расчета скорости впитывания для серых лесных почв. В зоне 1 орошение стремиться к оптимальному, так как интенсивность дождя не превышает допустимую. Зона 2 отражает дефицит влаги, а именно то, что в этот промежуток времени полив следует осуществлять 76

с большей интенсивностью дождя. Зона 3 - образование луж и поверхностного стока. С 30 по 37 минуту полива наблюдается увеличение поверхностного стока. С 37 по 46 минуту поверхностный сток снижается до ноля, так как интенсивность дождя ниже допустимой. В этот период в зоне 4 происходит впитывание излишков влаги, переходящее после 46 минуты в фазу фильтрации. После 50 минуты четко выражен переход обратно в зону 3, когда появляется излишек влаги и начинают образовываться лужи. Для серых лесных почв со слабыми локальными изменениями уклонов (менее 0.05) такой объем поверхностного стока не приводит к эрозии.

Рис. 3.11. Зависимость объема поверхностного стока, поливной нормы, впитывающей способности и переменной интенсивности дождя от времени. Зона 1 — безнапорное впитывание; зона 2 — область, в которой допустимо повышение интенсивности дождя ДМ; зона 3 — стокообразующая часть дождя; зона 4 — напорное впитывание со снижением слоя поверхностного стока На рисунке 3.12 показан пример расчета с постоянной интенсивностью дождя I  0.27 мм мин. Следствие такого подхода: недооценены объемы поверхностного стока; переполив из-за неверного определения поливной нормы

77

Рис. 3.12. Зависимость объема поверхностного стока, поливной нормы, впитывающей способности и постоянной интенсивности дождя от времени. Зона 1 — безнапорное впитывание; зона 2 — область, в которой допустимо повышение интенсивности дождя ДМ; зона 3 — напорное впитывание с увеличением поверхностного стока В существующей практике расчетов применяются, как правило, постоянные значения давления на входе машины и характеристики дождя, что не отвечает реальным условиям работы дождевальных машин. Для контроля эрозионного воздействия в допустимых границах необходимо сопряжение технологических функционирования

параметров оросительной

ДМ

с

сети,

гидравлическим обеспечивающее

режимом бесстоковую

реализацию полива заданной нормой. Это выполнимо при условии строгого контроля за интенсивностью и качеством дождя, временем на позиции и учете впитывающей способности почвы. Такие требования ужесточаются на орошаемых землях с повышенными уклонами. При

расчете

эрозионной

нагрузки

учитывались

технологические

параметры полива и гидравлический режим работы ДМ. Гидравлическая модель, базирующаяся на предложенной методике, позволила в численном

78

эксперименте

с

требуемой

дискретностью

получить

гидравлические

характеристики сети при любой комбинации включения дождевальных машин.

79

Выводы к главе 3

1.

Предложен

характеристик

и

апробирован

распределительной

сети,

метод

расчета

основанный

гидравлических

на

операциях

с

функциями, описывающими напорно-расходные характеристики элементов сети, включая поливную технику. Применение предложенного метода обеспечивает высокую скорость и необходимую точность гидравлических расчетов, что позволяет использовать его программную реализацию для решения оптимизационных задач с многократным пересчетом гидравлических характеристик.

2. насосной

Разработан станции

алгоритм и

сопряжения

распределительной

гидравлического

водопроводящей

режима

сети

при

произвольном включении дождевальных машин, позволяющий рассчитывать напоры в любой точке сети и интенсивность дождя ДМ. По результатам натурных измерений и численных экспериментов по определению потерь напора в сети выполнена оценка адекватности используемого метода расчета.

3.

Сформированы необходимые исходные данные для разработки

имитационной модели оросительной сети и разработана база данных в ГИС, включающая описание структуры оросительной сети.

4.

Разработана методика и создана гидравлическая имитационная

модель оросительной системы, основанная на использовании комплекса современных программных средств, что позволяет проводить численное моделирование гидравлических процессов и имитировать эксплуатационные режимы работы оросительной сети и дождевальной техники.

5.

Анализ результатов численных экспериментов по оценке влияния

гидравлических режимов работы дождевальной техники на формирование поверхностного стока (при различной интенсивности дождя и впитывающей способности

почвы)

показал

возможность

контроля

изменения 80

гидравлического режима работы сети при включении/выключении ДМ в процессе полива и необходимость учета изменяющейся интенсивности дождя при оценке эрозионной нагрузки на орошаемую площадь.

81

ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ ПОЛИВОВ Система

управления

производством

поливов

предназначена

для

реализации расчетного оперативного плана орошения путем формирования на заданный период времени эксплуатационного графика работы дождевальной техники и насосной станции, согласованного по гидромодулю оросительной сети и имеющимся трудовым ресурсам. Система управления производством поливов включает: 

инженерную часть, состоящую из персонального компьютера,

программного комплекса для оперативного планирования производства поливов

по

заданному

режиму

орошения

(в

соответствии

с

агрометеопараметрами), а также объект управления – оросительную систему; 

пользователя - специалиста высшего или среднего звена аграрного

или мелиоративного профиля, обслуживающего оросительную систему (персонал и операторы ДМ), т.е. разработчиков и исполнителей сетевого графика работ; 

информационное обеспечение, - включая описание оросительной

системы, размещение поливной техники, паспорта ДМ и элементов сети, выделенные объемы воды на орошение по культурам (сезонное) и оперативные -

метеорологические

данные,

данные

о

проведенных

поливах,

даты

планируемых полевых работ, наличие трудовых и водных ресурсов; 

математические

модели:

гидравлическую

модель

внутрихозяйственной оросительной сети; 

временной режим работы системы: оперативное планирование

поливных работ на 10-20 суток в течение всего периода вегетации; своевременная информационная поддержка принятия решений по эксплуатации оросительной системы; выполнение расчетов и оперативная подготовка документов; 82



материальные затраты на освоение и эксплуатацию технологии

управления

информационной

системы,

которые

включают

разовые

капиталовложения на адаптацию программного комплекса к конкретным характеристикам

оросительной

системы

(основные

капиталовложения),

стоимость обучения пользователей и текущие затраты на оплату труда специалистов хозяйства за сбор, приобретение, ввод информации и выполнение расчетов (оплата 1 рабочего дня специалиста); 

обслуживание и поддержка программного обеспечения в рабочем

состоянии (авторский надзор). Оптимальное

управление

эксплуатационного

режима

производством орошения

поливов

-

назначение

сельскохозяйственных

культур,

основанного на оперативном плане поливов, является результатом решения оптимизационной задачи по критерию минимизации ущерба - потеря урожая, обусловленная отклонением (смещением) эксплуатационного режима от планового, назначенного по агрометеопараметрам.

4.1 Варианты оперативного плана орошения. Рассмотрим четыре наиболее распространенных варианта задания оперативного

плана

орошения,

характерными

особенностями

которых

являются различные наборы ограничений, табл.4.1. Таблица 4.1. Ограничения на исполнение оперативного плана полива системы полей обслуживаемой одной насосной станцией Варианты Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3 Вариант 4 Ограничения Даты начала ДА НЕТ ДА ДА полива по полям Общая для всех полей дата начала ДА НЕТ НЕТ НЕТ полива Дата окончания полива по полям

НЕТ

ДА

НЕТ

ДА

83

Варианты Вариант 1

Вариант 2

Вариант 3

Вариант 4

ДА

ДА

НЕТ

НЕТ

Ограничения Общая для всех полей дата окончания полива

Вариант 1. Задана дата начала полива и она является общей для всех полей. Теоретически окончание поливов всех полей тоже должно произойти в тот же день, то есть необходимо полить все поля в кратчайшие сроки. Такой вариант возможен или при первом после посева поливе или для остро засушливого периода, когда необходимо провести незапланированный полив для предотвращения негативных последствий засухи. Вариант 2. Дата начала полива не определена. Заданы даты, к которым поля должны быть политы. Такой вариант возможен при необходимости реализации полива, например, перед обработкой полей ядохимикатами. Вариант 3. Известны даты начала полива, которые различны для всех полей. Даты окончания и продолжительности поливов не известны и не лимитируются. Поливы назначены на разные даты, без ограничения продолжительности цикла полива. Такой вариант возможен, например, для кормового севооборота (однолетние и многолетние травы). Вариант 4. Заданы даты начала и продолжительность поливов и они различны для всех полей. Это наиболее распространенный вариант. Оперативный план полива включает дату полива и поливную норму. Оптимальное условие полива - единовременный полив всего поля. В реальных условиях осуществление такого варианта практически невозможно. Вследствие чего обозначим 5 вариантов реализации плана полива со смещением даты начала полива (рис. 4.1).

84

Рис. 4.1. Варианты реализации плана полива при отклонении даты начала полива от плановой 1.

Полив проводится позже назначенного дня. Возможно появление

дефицита влаги.

2.

Полив

проводится

раньше

назначенного

дня.

Возможен

поверхностный сток и инфильтрация.

3.

Полив начинается в назначенный день. Часть орошаемого контура

получает необходимую влагу в нужные сроки. Всё поле будет полито через несколько дней после назначенной даты. Возможно возникновение водного дефицита на некоторой части поля.

4.

Полив заканчивается в назначенный день. Ситуация аналогичная

варианту 2. Для формирования оптимального сетевого графика полива необходимо, что бы плановый режим орошения был сформирован за несколько дней до начала расчета эксплуатационного плана поливных работ.

5.

Середина поливного цикла приходится на назначенный день. Будем

рассматривать такой вариант реализации графика полива как оптимальный при допущении, что агротехнические особенности орошаемой культуры позволяют смещать сроки полива на несколько суток до назначенной даты полива. В целом по всему полю полив выполняется с минимальными отклонениями от заданной даты.

85

4.2 Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов Оптимизационная задача включает обязательное условие увязки расхода дождевальной техники, поливной нормы (брутто) и орошаемой площади поля с режимом работы насосной станции и наличием трудовых ресурсов. Это достигается путем использования имитационной гидравлической модели закрытой оросительной системы, которая позволяет сопрячь технические характеристики оросительной сети с агротехническими и биологическими требованиями орошаемых культур. С помощью имитационной гидравлической модели

оросительной

сети

для

каждой

единицы

поливной

техники

рассчитываются технологические параметры ее работы (давление, расход, время на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, нормы обслуживания) по суткам с учетом поливных норм (нетто), сроков начала и окончания поливов, продолжительности рабочего дня, изменения комбинации одновременно работающих машин. Исходными

данными

для

решения

оптимизационной

задачи

являются: оперативный план орошения полей севооборотов, который

 

включает: сроки t0j и поливные нормы m j  на период поливного цикла (1020 сут.), орошаемые площади, таблицы распределения сельскохозяйственных культур по полям; планируемую урожайность; прогнозируемую рыночную стоимость продукции; принадлежность поливной техники к полям; паспортные напорно-расходные и другие характеристики ДМ (техническое состояние, обслуживаемая площадь поля); гидромодуль сети; наличие операторов ДМ и продолжительность рабочего дня; коэффициент потерь воды при поливе (оперативная

характеристика

напряженности

метеоусловий,

состояние

растительного покрова); гидравлическую модель оросительной системы. Критерий

оптимизации.

В

качестве

критерия

оптимизации

используется функция оценки приоритета включения дождевальной техники.

86

Максимальное значение функция принимает для самой эффективной машины, которая за полив предотвращает максимальный ущерб от недобора урожая. Допустим, что в случае пропуска даже одного из назначенных (по оперативному плану орошения) поливов в течение поливного периода приводит к максимальным потерям урожая, равным разности между урожаем при орошении и без него (урожайность при отсутствии полива принимается нами, в первом приближении, равной урожайности на богаре). Тогда стоимость потерь урожая на площади, обслуживаемой одной ДМ, определяется по выражению: F jn  Z k  s njk  (1  kk ) , где F jnk – стоимость продукции (руб), потенциально теряемой с части jого поля, обслуживаемого ДМ за номером n; Z j – удельная стоимость продукции (руб/га), равная произведению плановой урожайности и стоимости продукции, т.е. Z j  ykjо  zk j ; s njk - площадь j-ого поля (га), обслуживаемого ДМ за номером n; kk - коэффициент, характеризующий отзывчивость культуры на орошение, равный отношению урожайности культуры без орошения к урожайности при орошении ( k k  ykб .о. / yko ). Тогда для отдельного поля, обслуживаемого ДМ с номерами nj, предотвращенный ущерб будет равен: nj

F j   Z k  s njk  1  k k  ,

(4.1)

для всех полей оросительной системы J

nj

F   Z k  s njk  1  kk 

(4.2)

j 1

В результате реализации оперативного плана полива, т.е. в процессе производства поливов значение приоритета включения дождевальной техники будет изменяться пропорционально увеличению политой площади sj(ti) с учетом разницы плановой даты (t0) полива всего поля и даты возможной его реализации (ti) по частям поля, заданной сетевым графиком полива.

87

Следовательно, величина функции оценки приоритета включения ДМ определяется технико-экономическим показателем (U), характеризующим условный ущерб (недобор урожая) при смещении даты полива от заданной планом орошения. Тогда целевая функция примет вид: J

tк

U  k0  



Z k  s njk  yko  ykб .о.

t

j 1 t н

j кон

j  tнач





ti    s j   s j ti   s t    t нач   t0j  ti  1  j i  ti  t0j    min (4.3) sj sj      





Основные ограничения оптимизационной задачи: t кон j

 q j (t )

mbj 

t нач j

Sj

- условие выполнения поливной нормы брутто;

n n - ограничение по свободному напору на гидрантах H max  H n ti   H max

(для работающих ДМ находится в диапазоне паспортных характеристик); t кон j

S j   s j (t ) ; t нач j

J

 q j (t )  Qос - ограничение по гидромодулю; j 1

N

 b( n r , t )  B ( t )

-

ограничение

по

трудовым

ресурсам

(наличие

n 1

операторов ДМ);

t

нач j , t,

 

. нач . кон t кон  t агр , ... , t агр j j j



для

jJ

- запрет на производство

поливов по агротехническим и другим причинам в интервале времени . нач агр . кон [t агр ,tj ]. j

Обозначения переменных, используемых в оптимизационной задаче: U - относительный технико-экономический показатель потерь; F j

-

величина предотвращаемого ущерба, руб; k0 - размерностный коэффициент пропорциональности, 1/(руб.сут.); Sj - площадь орошаемого j-го поля, га; sj(t) -

88

площадь участка j-го поля (га), орошаемого за одни сутки t; s j ti  - политая площадь (га ) j-го поля поливной нормой mbj (м3/га) за промежуток времени ti ;

ti - текущее время, сут; t0j - назначенная дата начала полива, сут; qj(t) водоподача на орошение j-го поля (м3/с) в течение суток t; Qос - максимальный расход оросительной сети, м3/с; b(nr, t) - норма обслуживания работающей в сутки t дождевальной машины nr, чел./сут.; B(t) - число операторов кон дождевальной техники на момент времени t, чел.; t нач - номера суток j , tj . нач агр. кон начала и конца полива на j-том поле; t агр , tj - номера суток начала и j

конца запрета на проведение полива на j-том поле; J - множество полей; tн, tк дата начала и окончания поливного цикла соответственно, сут. Алгоритм

решения

оптимизационной

задачи

построен

на

использовании градиентного метода. Для предварительной оценки приоритета полива дождевальной техникой по выражению (4.3) определяется техникоэкономический показатель потерь U при орошении j-го поля (среднее значение за один день или расчетный период по паспортным характеристикам ДМ). На рис. 4.2 в графической форме представлена зависимость величины U от текущей

даты

полива

для

каждой

ДМ,

которые

отличаются

по

производительности и размера обслуживаемой площади. Идентификация

поля,

орошение

которого

является

наиболее

эффективным, а средняя за день величина технико-экономического показателя потерь на нем будет максимальная (с учетом производительности ДМ), выполняется следующим образом. Сначала определяется максимальное значение U для каждого участка поля, обслуживаемого одной ДМ. Рассчитанные таким способом показатели U по всем машинам группируются по полям и суммируются.

89

Рис. 4.2. Динамика изменения технико-экономического показателя U (приоритет включения ДМ) для машин с различной производительностью и величиной обслуживаемой площади По

убыванию

значения

технико-экономического

показателя

U

проводится ранжирование номеров орошаемых полей. Поле с наибольшим значением показателя U занимает первое место в очерёдности поливов. По каждому полю выполняется аналогичное ранжирование для дождевальных машин по убыванию показателя U, что позволяет определять приоритеты их включения. Поле с максимальным приоритетом (таблица 4.2) займет первое место в сетевом графике проведения поливных работ; назначение порядка включения ДМ, обслуживающих данное поле, выполняется по тому же правилу, начиная с самой производительной машины. Очевидно, что стартовая дата включения самой производительной ДМ первого по приоритету поля в точности совпадет с датой полива, заданной агрономом по оперативному плану. Включение второй (очередной) машины допускается, если мощность насосной станции и наличие операторов позволяют это сделать (проверяются два основных ограничения). В сетевой график поливных работ (рис. 4.3) сразу заносится продолжительность полива 90

по каждой включенной машине. Продолжительность полива участка поля, обслуживаемого ДМ, предварительно рассчитывается с учетом поливной нормы брутто, обслуживаемой площади и продолжительности рабочего времени за сутки.

Рис. 4.3. Укомплектованный сетевой график производства поливов В случае включения всех ДМ первого поля в сетевой график проведения полива, а гидромодуль сети позволяет задействовать дождевальные машины на других полях с более низким приоритетом, то в работу включаются ДМ следующего по приоритету поля (по тому же правилу). Однако в случае отсутствия возможности включения наиболее производительной машины на следующем поле (с условием соблюдения ограничений) алгоритм формирования графика поливных работ разветвляется. Включается в работу следующая (менее производительная) ДМ, либо уже укомплектованная часть графика полива смещается на одни сутки (до или после предварительно выбранной даты полива). В этом случае следует иметь в виду, что для каждой ДМ изменение даты полива неоднозначно сказывается на величине технико-экономического показателя U. Поэтому по разнице величин U выбирается вариант, обеспечивающий минимум целевой функции. В результате либо сохраняется первоначальный график проведения поливов, либо формируется новый план. На следующем этапе аналогичный расчет делается для очередной по производительности машины следующего поля и так далее.

91

Таблица 4.2. Значение технико-экономического показателя U (расстановка приоритетов работы дождевальной техники) № ДМ

Среднее значение техникоэкономического показателя U для ДМ за сутки

Значение техникоэкономического показателя U для ДМ за весь полив

2 - Картофель,

33

7,55

67,92

m=300м3/га, yо=23т/га,

32

3,00

16,47

yб.о.=10т/га, Z=3000

30

2,03

8,53

руб/т, S=55,8га

31

1,03

3,69

5 - Злаковые травы на

42

1,20

12,02

43

1,20

12,02

Орошаемый контур

Значение техникоэкономического показателя U для всего поля

96,61

сено, m=350м3/га, yо=10т/га, yб.о.=3т/га,

48,07

Z=1500руб/т,

44

1,20

12,02

S=52,32га

45

1,20

12,02

3 - Кукуруза на зерно,

S=163,05га

52 53 54 35 34 36 37 57 56 58 55 38 39

4,45 3,48 1,66 0,69 0,63 0,38 0,38 2,10 2,55 1,89 1,18 0,31 0,31

16,70 7,71 4,00 3,43 2,93 1,28 1,28 8,52 6,99 4,78 2,71 1,55 1,55

1 -Зерновые,

26

0,51

1,27

m=300м3/га,

27

0,51

1,27

yо=4,5т/га, yб.о.=1,2т/га,

28

0,51

1,27

Z=6000руб/т, S=25,6га

29

0,51

1,27

m=350м3/га, yо=8т/га, yб.о.=2т/га, Z=3500руб/т, S=125,17га 4 - Люцерна, m=400м3/га, yо=40т/га, yб.о.=1,5т/га, Z=300руб/т,

37,34

26,10

5,07

Полученный по такому алгоритму график поливных работ является лишь первым предварительным вариантом, для которого необходимы уточнения в 92

плане

гидравлического

сопряжения

напорно-расходных

характеристик

насосной станции и распределительной сети с тем, чтобы рассчитать конкретные по каждому временному интервалу технологические параметры полива каждой ДМ. Переход от усредненных характеристик работы ДМ к характеристикам, рассчитанным с помощью гидравлической модели оросительной системы, включает дальнейшую оптимизацию процесса организации поливов. При получении точных данных о расходе воды в сети и нормах обслуживания ДМ для каждого временного интервала, в котором комбинация включенных машин постоянна, возможно более корректное комплектование сетевого графика поливных работ. Предварительно подготовленная информация, включающая приоритеты по культурам, полям и поливной технике, является необходимой для построения эксплуатационного плана реализации полива (уточнённый график). Уточненный график формируется от даты начала поливного цикла. Для этого дня проверяется наличие полива, предусмотренного оперативным планом орошения. При отсутствии такой рекомендации переходим к следующим суткам, пока в сформированной оперативным планом очередности поливов не обнаружится поле, для которого назначен полив; затем выполняется расчет показателя U. Далее, полученная комбинация включения машин в течение суток проверяется на гидравлической модели, по которой рассчитываются конкретные параметры работы системы и дождевальной техники, гидромодуль и потребность в рабочей силе. Затем, для следующего дня выполняется повторный расчет для корректировки очередности и точного времени начала и продолжительности полива на позиции дождевальной машиной; расчет выполняется с учетом политой площади за предыдущий период (в случае продолжительности полива более суток). Расчет проводится по уравнению 4.3, в котором взамен паспортных характеристик используются полученные из гидравлических расчетов данные: расчетный расход и напор каждой ДМ (с учетом его 93

изменения во времени при различных комбинациях включения машин и числе работающих насосов в соответствии с сетевым графиком); время полива на позиции. В результате численного гидравлического моделирования рассчитана реальная

производительность

дождевальных

машин

и

технологические

параметры режима их работы. Отметим, что на каждом шаге решения оптимизационной задачи определяются наилучшие режимы работы насосной станции и дождевальной техники и проверяются ограничения по расходу воды и наличию операторов ДМ. Для каждой комбинации включения режим работы ДМ определяется количеством

работающих

насосов;

для

рассматриваемой

закрытой

оросительной системы возможны 4 варианта работы насосной станции (по количеству насосных установок). Как показано на рисунке 4.4. первым этапом является проверка по гидромодулю,

то

есть

определение

возможности

обеспечения

ДМ

необходимым напором (1). Если нет, то изменяется комбинация включения ДМ (2). Если да, то определяются режимы работы НС и количество работающих насосов, а также проверяются параметры их работы на соответствие области высоких КПД (3). Если проверка (3) не проходит, то меняется комбинация включения ДМ (2). Далее формируется матрица рабочих точек насосной станции (4) и затем определяются возможные режимы работы ДМ (5). После чего проводится проверка работы ДМ на соответствие допустимым режимам для данного типа машин (6). Если рабочие точки не попадают в допустимый диапазон, то они исключаются (7). В случае, когда количество рабочих точек меньше одной, то комбинация включения ДМ изменяется (2). Далее

проводится

параллельный

расчет

(8):

определяются

технологические параметры - время на позиции и необходимое количество операторов ДМ (9); рассчитывается интенсивность дождя каждой ДМ (10). Затем выполняется проверка ограничений по рабочему персоналу (11), если параметры выходят за допустимые пределы, то изменяется комбинация включения ДМ (2). На следующем этапе расчета определяется впитывающая 94

способность почвы при всех возможных режимах орошения (12), которая сравнивается с допустимой для данного типа почв (13). Если превышены эрозионно-допустимые характеристики дождя, то изменяется комбинация включения ДМ (2). В случае, когда количество работающих насосов более одного, выбирается такое число насосных установок, которые обеспечат работу в области максимальных КПД (15). Последний шаг (16) - формирование выходных документов. В случае, когда в результате проверки выбранной комбинации включения ДМ не выполняется какое либо из ограничений (по алгоритму, рис. 4.4), выбирается следующая (по приоритету полива на эту дату) ДМ, а включение не прошедшей проверку машины смещается на следующие сутки. При этом следует четко выполнять правило: включение в работу дождевальной машины может быть смещено на сутки лишь в том случае, если эта машина не начинала полив. Таким образом, выполняется ограничение: начатый ДМ полив не должен прерываться. Расчет по гидравлической модели повторяется для новой комбинации включения ДМ (с учетом смещения/переноса даты начала их работы) и вновь проверяется по алгоритму, рис. 4.4. В случае выполнения заданных ограничений

вычисляется

продолжительность

полива,

политая которая

за

сутки

площадь

используется

для

и

новая

коррекции

предварительного эксплуатационного плана работы ДМ. В случае соответствия всем ограничениям и при наличии свободной мощности насосной станции на гидравлической модели проверяется вариант включения дополнительных ДМ в течение рассматриваемых суток. Для этого из списка ДМ, включение которых назначено на следующие сутки, выбирается машина с максимальным приоритетом (из оставшихся, незадействованных в работе, машин), для которой достаточно свободных трудовых или водных ресурсов. При этом в первом варианте графика включения машин уточняется продолжительность полива для всех задействованных в эти сутки машин и дата их включения.

95

Рис. 4.4. Блок схема проверки выбранной комбинации включения ДМ и определение оптимального режима работы НС

96

В результате перебора вариантов включения ДМ формируется такой график производства поливных работ, при котором достигается максимальная эффективность использования поливной воды и технических средств ОС для каждых суток поливного цикла. Сформированный график гидромодуля будет в точности

отвечать

введенным

ограничениям

по

расходно-напорным

характеристикам и трудовым ресурсам, а суммарное значение техникоэкономического показателя U к завершению полива будет минимальным (т.е. потери урожая от несвоевременного полива будут минимальными). В изложенном выше алгоритме формирования оптимального графика производства поливных работ было введено ограничение, запрещающее проводить полив раньше назначенной даты. Однако в зависимости от агрофизических свойств почв, погодных условий, вида сельскохозяйственной культуры такое ограничение может отсутствовать. В этом случае алгоритм расчета останется прежним, но несколько изменится вид целевой функции так, что в формируемом сетевом графике начало и конец полива будут смещаться симметрично относительно плановой даты. Расчеты повторяются от суток к суткам на весь цикл поливных работ, т.е. на установленный оперативным планом орошения период. Параллельно с формированием плана занятости ДМ (рис. 4.5), уточненного с помощью гидравлической модели, формируется матрица данных технологических параметров работы ДМ и насосной станции (таблица 4.3). Для каждой единицы поливной техники с момента начала её работы в матрицу по суткам заносятся следующие технологические параметры: напор, расход, время на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, норма обслуживания, сроки начала и окончания поливов. По данным таблицы 4.3 построены графики, характеризующие изменения параметров насосной станции при различных комбинациях включения ДМ и различном количестве параллельно работающих насосных установок, рис. 4.6.

97

Таблица 4.3 Расчетные параметры работы насосной станции при изменении нагрузки за счет подключения ДМ Орошаемый контур

2Картофель, m=300м3/га, yо=23т/га, yб.о.=10т/га, Z=3000руб/ т, S=55,8га 5Злаковые травы на сено, m=350м3/га, yо=10т/га, yб.о.=3т/га, Z=1500руб/ т, S=52,32га 3Кукуруза на зерно, m=350м3/га, yо=8т/га, yб.о.=2т/га, Z=3500руб/т S=125,17га

№№ комбин ации включе ния ДМ

№ ДМ

Q1, м3/с

Q2, м3/с

Q3, м3/с

Q4, м3/с

H1, м

H2, м

H3, м

H4, м

N1, кВт

N2, кВт

N3, кВт

N4, кВт

КПД1 ,%

КПД2 ,%

КПД3 ,%

КПД 4, %

1

33

0,0450

0,0459

0,0463

0,0464

160,04

163,31

164,18

164,58

44,631

75,92

106,68

137,17

60,86

38,46

27,95

21,93

2

32

0,0837

0,0916

0,0931

0,0937

148,41

159,89

162,27

163,26

52,539

89,72

121,39

152,41

77,96

61,48

47,96

39,04

3

30

0,1079

0,1267

0,1311

0,1327

138,57

155,73

160,27

161,96

57,24

98,57

132,78

164,49

74,10

72,15

59,83

50,23

4

31

-

0,1441

0,1514

0,1539

-

152,85

158,96

161,16

-

101,76

138,47

170,89

-

75,52

64,85

55,35

5

42

-

0,1594

0,1700

0,1737

-

149,96

157,54

160,32

-

103,96

143,29

176,71

-

77,40

68,72

59,61

6

43

-

0,1732

0,1873

0,1925

-

147,26

156,00

159,44

-

105,96

147,28

182,06

-

78,18

71,73

63,21

7

44

-

0,1856

0,2029

0,2100

-

144,86

154,38

158,52

-

108,07

150,38

186,81

-

78,08

73,98

66,19

8

45

-

0,1965

0,2168

0,2259

-

142,74

152,77

157,59

-

110,30

152,74

190,87

-

77,30

75,58

68,62

9

52

-

-

0,2561

0,2719

-

-

147,73

154,27

-

-

158,38

200,75

-

-

78,11

74,10

10

53

-

-

0,3010

0,3245

-

-

141,90

149,40

-

-

166,85

208,72

-

-

76,81

77,64

11

54

-

-

0,3200

0,3479

-

-

139,17

147,11

-

-

171,07

212,15

-

-

74,64

78,20

12

35

-

-

0,3277

0,3588

-

-

137,85

146,05

-

-

172,24

213,93

-

-

73,45

78,23

13

34

-

-

-

0,3687

-

-

-

145,09

-

-

-

215,70

-

-

-

78,13

14

36

-

-

-

0,3780

-

-

-

144,19

-

-

-

217,49

-

-

-

77,91

15

37

-

-

-

0,3865

-

-

-

143,36

-

-

-

219,23

-

-

-

77,60

Рис. 4.5. Фрагмент плана занятости машин (1,2,3,4,5 – порядковый номер позиции; 6,7 – заключительное и подготовительное время соответственно)

Число параллельно работающих насосных установок

Рис. 4.6. Параметры насосной станции при изменении комбинации включения ДМ, при разном количестве параллельно работающих насосных установок (НУ) Примечание: 1, 2, 3, … - рассматриваемые варианты включения ДМ

4.3 Выходные документы системы управления поливами Каждый цикл расчета сетевого графика полива начинается с анализа информации оперативного режима орошения полей за предыдущий цикл и данных о произведенных поливах. Отметим, что оперативный план полива формируется на период 10...20 дней и уточняется в случае выпадения осадков или

при

значительном

прогнозируемых.

По

отклонении

результатам

фактических

расчетов

метеоусловий

формируются

от

необходимые

документы, обеспечивающие управление режимом работы сети, поливной техникой и производством поливов в соответствии с планом орошения. В состав выходных документов системы оперативного управления производством поливов входят: - график работы насосной станции на период поливного цикла (режим работы по суткам - количество включенных насосов, напор и подача), таблица 4.4; - укомплектованный календарный график полива (см. раздел 4.1); - технологический регламент работы оператора (таблица 4.5) ДМ (технологические перерывы, перемещение машин, нормы обслуживания и др.) и режим работы ДМ (нетто и брутто внесённой поливной нормы, давление, расход, время на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, норма обслуживания) на каждый календарный день с момента включения до завершения полива. Таблица 4.4. План работы насосной станции на текущий день (фрагмент) Номер Число Напор, Подача, комбинации Номера работающих ДМ насосов м м3/с ДМ 1 33 160,04 0,0450 1 2 33; 32 148,41 0,0837 3 33; 32; 30 155,73 0,1267 2 4 33; 32; 30; 31 152,85 0,1441 5 33; 32; 30; 31; 42 157,54 0,1700 6 33; 32; 30; 31; 42; 43 156,05 0,1873 3 7 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44 154,38 0,2029 8 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45 152,77 0,2168 9 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45; 52 154,27 0,2719 4 10 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45; 52; 53 149,40 0,3245

100

Таблица 4.5 План работы ДМ (фрагмент) Расписание работы ДМ 26, поливная норма 400м3/га Интервал Дата

Час

6-8 21.06 8-18 18-22 6-8 22.06 8-18 18-22 6-8 23.06 8-18 18-22

Напор, м

Время на позиции, час

0 53 0 0 55 0 0 54 0

0 1:50 0 0 1:50 0 0 1:50 0

Полив за смену, га

Норма Позиций за обслуживания, смену чел

Позиций всего

1,50

0,30

4

4

1,60

0,30

4

8

0,30

0,30

1

9

4.4 Эффективность управления поливами

предлагаемой

системы

оперативного

Разработанная информационная система управления поливами позволяет оперативно принимать решения, создаёт необходимые условия для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и роста производительности труда. Оптимальная реализация заданного оперативного режима орошения сельскохозяйственных культур и сетевого графика полива, рациональное распределение трудовых ресурсов и дождевальной техники между полями с учетом плодородия почв, состава и сроков проведения агротехнических мероприятий способствуют эффективному использованию мелиорируемых земель, водных, трудовых и технических ресурсов. Сравнительный анализ (табл. 4.6) показал, что повышение эффективности предложенной системы управления поливами (по сравнению с существующими методами

организации

поливов)

достигается

за

счет

использования

разработанного инструментария и совокупности методов организации поливов, что способствует повышению технического уровня эксплуатации оросительной системы, экономии оросительной воды, снижению непроизводительных затрат труда,

созданию

условий

для

роста

урожайности,

предотвращению

поверхностного стока и эрозии почв.

101

Таблица 4.6. Сравнительный анализ эффективности разработанной системы управления поливами и существующих методов организации орошения Эффективность Предлагаемая разработанной Единицы Существующие система Факторы системы измерения методы управления управления поливами поливами Экономия 87 оросительной при недополиве воды до 12% Поливные % 100 нормы: 112 при переполиве

Поверхностный сток

% от поливной нормы

до 4

отсутствует

Урожайность

% от плановой

70-90

95

Трудозатраты на полив

%

100

90-95

Среднесуточный КПД насосов

%

до 70

до 75

Предотвращение поверхностного стока и снижение риска развития процессов эрозии Получение запланированной урожайности за счет соблюдения поливных норм и сроков полива Отсутствие простоев в работе дождевальной техники за счет оперативного расчета норм обслуживания и четкого их исполнения Экономия электроэнергии за счет работы насосов в области максимальных КПД

102

Разработанная технология организации поливов сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе предназначена для специалистов сельскохозяйственного профиля, проста в эксплуатации и позволяет на любом этапе

планирования

учитывать

актуальные

и

прогнозируемые

агрометеорологические условия.

103

Выводы к главе 4 1.

Разработан

алгоритм

решения

оптимизационной

задачи

формирования сетевого графика производства поливных работ, основанный на градиентном

методе

минимизации

целевой

функции

по

технико-

экономическому показателю, характеризующему условный хозяйственный ущерб (потеря урожая) при смещении даты полива от заданной плановым режимом орошения. Особенность алгоритма решения задачи состоит в том, что оптимизация проводится в несколько этапов. На первом этапе строится предварительный график включения машин с учетом их усреднённых характеристик, заданных заводом-изготовителем; затем график уточняется (второй этап оптимизации) по результатам численных экспериментов на гидравлической модели для каждых суток поливного цикла.

2.

Разработан

программный

комплекс,

позволяющий

в

автоматическом режиме формировать эксплуатационный график полива. Рассмотрены возможные варианты формирования сетевого графика режима орошения и особенности проведения поливных работ по основным вариантам плана.

3.

Выполнены расчеты по вариантам сетевого графика производства

поливных работ и для каждого из вариантов определены режимы работы насосной

станции

и

дождевальной

техники,

нормы

обслуживания

дождевальных машин и их производительность.

4. поливов

Показано, что применение системы управления производством на

реализацию эксплуатации,

закрытой

оросительной

оперативного способствует

плана

сети

поливов,

экономии

обеспечивает

качественную

повышает

эффективность

оросительной

воды,

снижает

непроизводительные затраты труда, создаёт условия для роста урожайности, предотвращает поверхностный сток и эрозию почв. Оценка эффективности

104

работы системы управления получена в сценарных исследованиях на имитационной модели оросительной системы совхоза Лузино.

105

ВЫВОДЫ

1.

Анализ научной литературы по проблеме управления поливами и

производством поливных работ на крупных внутрихозяйственных системах показал

актуальность

совершенствования

информационных

систем

оперативного управления орошением, как в направлении расширения состава решаемых задач, так и тематического распределения информационных потоков для поддержки принятия решений службой эксплуатации ОС. Предложено

оперативное

двухуровневое

управление

(двухэтапное),

поливами

включающее

рассматривать

оперативное

как

планирование

режима орошения сельскохозяйственных культур (назначение сроков и поливных

норм)

и

его

реализацию

с

помощью

организационно-

технологических решений по управлению процессом эксплуатации элементов оросительной

системы

(насосная

станция,

распределительная

сеть,

дождевальные машины).

2.

Сформулирована оптимизационная задача формирования сетевого

графика производства поливов дождевальными машинами. Целевая функция в этой задаче связана с рядом важнейших производственных показателей: площадью орошаемого поля, планируемой урожайностью, стоимостью единицы продукции, отзывчивостью сельскохозяйственной культуры на орошение, производительностью ДМ и сроками проведения поливных работ. Показано,

что

для

корректного

решения

этой

задачи

управления

производством поливов необходимо структурно–функциональное описание оросительной системы для расчета гидравлического режима работы ее основных элементов.

3.

По

результатам

натурных

и

теоретических

исследований

разработана методика создания имитационной модели оросительной системы в

виде

комплекса

программных

средств

(в

среде

Matlab).

Модель

предназначена для выполнения гидравлических расчетов функционирующей 106

оросительной системы с использованием базы данных параметров элементов сети и описания структуры оросительной системы средствами ГИС. Для фрагмента Лузинской оросительной системы (Омская обл.) создана имитационная гидравлическая модель, позволяющая путем постановки численных экспериментов и сценарных исследований изучать гидравлические характеристики эксплуатационных режимов работы элементов оросительной системы при различной комбинации включения дождевальных машин.

4.

Предложен алгоритм расчета напорно-расходной характеристики

распределительной сети с произвольной комбинацией подключенных ДМ, основанный на операциях с предварительно сформированными функциями, описывающими напорно-расходные характеристики каждого из элементов сети, включая поливную технику. Использование этого алгоритма в гидравлической модели обеспечивает высокую скорость (0,0003 сек.) и необходимую точность расчета (0,0035 МПа) рабочих точек (сопряжение режима работы насосной станции с характеристикой распределительной водопроводящей сети) и напора на гидрантах.

5.

Разработан

алгоритм

решения

задачи

оптимального

комплектования сетевого графика полива дождевальными машинами, который позволяет максимально приблизить поливные нормы и сроки проведения поливных работ к запланированному режиму орошения. При решении оптимизационной задачи формирования сетевого графика полива с помощью гидравлической модели сети проверяется выполнение ограничений по гидромодулю, наличию операторов ДМ при каждом включении в сетевой график очередной машины и агротехническим требованиям.

6.

Предложенная информационная технология принятия решений

при оперативном управлении производством поливных работ основана на использовании разработанной гидравлической модели сети и алгоритма оптимизации сетевого графика, укомплектованного по гидромодулю и 107

имеющимся

трудовым

ресурсам,

организационно-технологические

позволяет

задачи

комплексно

выполнения

решать

поливных

работ,

обеспечивает реализацию заданного режима орошения и высокое качество полива. В состав выходных документов, обеспечивающих оперативное управление и регламентирующих производство поливов, входят: календарный график водоподачи насосной станции (число включенных насосов, напор, мощность и КПД); сетевой график работы ДМ (дата и время включения, продолжительность полива); технологические параметры работы ДМ (напор, расход,

интенсивность

дождя,

орошаемая

за

сутки

площадь,

норма

обслуживания).

7. обладает

Разработанная рядом

система

несомненных

оперативного преимуществ,

управления которые

поливами

обеспечивают

возможность ее универсального применения (независимо от методов назначения оперативного режима орошения), контроль качества принимаемых управленческих решений (по значению целевой функции) и режима работы основных элементов оросительной сети (по гидравлическим параметрам), принципиально новый уровень информационного обеспечения службы эксплуатации ОС. Разработанная система оперативного управления поливами позволяет принимать конструктивные решения, повышающие эффективность эксплуатации гидромелиоративной системы, способствующие экономии оросительной воды, снижению непроизводительных затрат труда, созданию условий для роста урожайности и предотвращения поверхностного стока и эрозии почв.

108

Список литературы

1.

Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. М. :

Колос, 1978. стр. 288.

2.

Айдаров И.П., Голованов А.И. Мелиоративный режим орошаемых

земель и пути его улучшения. // Гидротехника и мелиорация, 1986, N 8, с.44-47.

3.

Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательного

режимов орошаемых земель. // М.: Агропромиздат, 1985, 304 с.

4.

Алексеев Г.А. Динамика инфильтрации дождевой воды в почву.

6/60, Л : б.н., 1948г., Труды Государственного гидрологического института.

5.

Анойкин Н.И. Количественная оценка ущербов в ирригации от

ограничения водопотребления. - Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства, 1975, вып. 12, Алма-Ата: Наука, 1975, с.52-58.

6.

Анойкин Н.И. Определение оптимальной оросительной нормы. -

Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства, 1975, вып. 12, с.47-51.

7.

Балаев

Л.Г.,

Живлов

А.И.

и

Добрачев

Ю.П.

Вопросы

совершенствования организации программирования урожаев на орошаемых землях. б.м. : Экспресс-информация ЦБНТИ ММиВХ СССР, 1985. стр. 1-7.

8.

Богославский Б.Б., Самохин А.А., и др. Общая гидрология. Л. :

Гидрометеоиздат, 1984. стр. 356.

109

9.

Борисов B.C., Добрачев Ю.П., Кошовец Б.И., Райнин В.Е.

Оптимальное управление формированием урожая. В кн.: Совершенствование технологией мелиорации земель. М.: ВНИИГиМ, 1988, с. 12-30.

10.

Борисов В.С., Добрачев Ю.П. и Кошовец Б.И. Оптимальное

оперативное управление водным режимом сельскохозяйственных культур. Экспресс-информация. // Мелиор. И водное хоз-во. М. : БНТИ Минводхоза СССР, 1987. стр. 26-32.

11.

Браславец М.Е. и Гуревич Т.Ф. Кибернетика. Киев : Урожай, 1977.

стр. 324.

12.

Васильев

А.А.

Деятельность

США

в

рамках

программы

исследоывания природных ресурсов из космоса. – Исследования земли из космоса. 1980. стр. 113-120.

13.

Воронин А.Д. Основы физики почв. М. : МГУ, 1986.

14.

Воротынцев А.В. и Рогожина Н.Л. Задачи оптимального управления

для модели системы почва-растение. М. : ВЦ АН СССР, 1988.

15.

Галямин Е.П. Оптимизация оперативного распределения водных

ресурсов в орошении. Л.:Гидрометеоиздат, 1981, 270 с 16.

Галямин

Е.П.,

и

Сиптиц

С.О.

Динамическая

модель

продукционного процесса кукурузы // Тр. ИЭМ. 1977. стр. 114-123.

17.

Головатый В.Г., Добрачев Ю.П., Юрченко И.Ф. Модели управления

продуктивностью мелиорируемых агроценозов. М.: Россельхозакадемия, 2001.

110

18.

Головатый

применения

В.Г.,

Заборовский

автоматизированной

С.А.,

системы

Корганов

планирования

А.С. и

Опыт

управления

выращиванием урожаев на орошаемых землях.// Водосберегающие технологии орошения.//Тр./ ВНИИГиМ. М., 1989, с.21-26.

19.

Горбачев

В.А.

О

расчете

воднофизических

характеристик

различных типов почв // Тр. ВНИИСХМ. Л. : Гидрометеиздат, 1983. стр. 42-56.

20.

Горбачева Р.И. Зависимости урожай - влагообеспеченность для

водохозяйственных расчетов. - Гидротехника и мелиорация, 1986, №3, с.66-69.

21.

Грамматикати О.Г., Дворников Л.Д. Методы определения скорости

передвижения воды к корневой системе растений. М : Наука АГ СССР, 1974 г., Биологические основы орошаемого земледелия, стр. 151-159.

22.

Губер К.В. Тенденции совершенствования внутрихозяйственных

оросительных систем //Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства, Т II / М.: ВНИИГиМ, 2009. С. 3-12.

23.

Губер

К.В.,

Шейнкин

Г.Ю.,

Луцкий

В.Г.

Тенденции

совершенствования внутрихозяйственных оросительных систем. //Мелиорация и водное хозяйство/ Мелиоративные системы/ обзорная информация// Москва.: ЦБНТИ, 1989. вып. 5. 60с.

24.

Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде

Windows: Практическое пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001. 400 с.

25.

Дмитриев B.C. Некоторые вопросы повышения экономической

эффективности орошения. - Гидротехника и мелиорация, 1975, №1. с.83-89.

111

26.

Добрачев Ю.П. Закономерности впитывания воды в почву занятую

растениями. М : б.н., сентябрь 2004г., Межрегиональная конференция МКИД.

27.

Добрачев Ю.П. Программирование урожая на орошаемых землях. //

ЦБНТИ ММиВХ СССР, "Мелиорация и водное хозяйство". Обзорная информация, М., 1987, вып.1. с. 54.

28.

Добрачев Ю.П. Теория и технология оптимального управления

орошением. - Деп. ЦИТИ "Мелиоинформ", Инф. бюлл. "Вопросы мелиорации", 1998, вып. 4, - 239 с.

29.

Добрачев Ю.П. Управление водным режимом агроценоза на

гидромелиоративной Экологические

системе

аспекты

с

учетом

экологических

природно-мелиоративных

ограничений.

исследований.

/

Труды

ВНИИГиМ, т. 88, М., 1995, с. 36-42.

30.

Добрачев

математические

Ю.П.

модели

и

Управление расчеты

водным

поливного

режимом режима.

//

почвы, В

сб.

"Программирование урожаев с.-х. культур на орошаемых землях" //М., ЦБНТИ ММиВХ СССР, 1984, с.14-28.

31.

Ерхов Н.С., Москвичев Ю.А. Напорное впитывание воды в почву

при дождевании. Труды ВНИИМ и ТП. 1972, Т. 3, стр. 48-54.

32.

Зейналова О.А. Прогноз изменения фильтрационной способности

грунтов в зависимости от некоторых их физико-химических показателей. М : б.н., 1980 г., Тезисы докладов I и V Международного совещания по мелиоративной гидрогеологии в г.Ашхабаде, стр. 68-73.

112

33.

Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям.

б.м. : Машиностроение, 1975.

34.

Костяков А.Н. Основы мелиорации, М.: Сельхозгиз, I960, 750с.

35.

Костяков А.Н. О динамике коэффициента просачивания воды в

почвогрунты и необходимости динамического подхода к его изучению в мелиоративных целях. 3, 1932г., Почвоведение.

36.

Кузник И.А. Опыт исследования просачивания воды в почву в

Заволжье. 10, 1951г., Почвоведение.

37.

Ларионова А.М. Впитывающая способность почв при поливах

дождеванием : Дис. ... д-ра техн. наук : 06.01.03 М., 2004 38.

Лебедев Б.М. Дождевальные машины. М : Машиностроение, 1977.

39.

Лихацевич А.П. Оросительная норма и ее соответствие дефициту

водопотребления // Мелиорация переувлажненных земель. Т.XXXVI, Минск: Ураджай, 1988, с.65-69.

40.

Лихацевич А.П. Дожевание сельскохозяйственных культур. Минск

Бел. Наука, 2005. 280 с.

41.

Миленин Б.О. Гидротехника и мелиорация: Работы молодых

ученых. М : ВАСХНИЛ, 1968. стр. 60-70.

42.

Моисеев Н.Н. О методологии математического моделирования

процессов сельскохозяйственного производства. 1, 1984г., Вестник с.-х. науки, стр. 14-20.

113

43.

Москвичев Ю.А., Ерхов Н.С., Бычков М.И.,. Методика определения

скорости впитывания воды в почву при дождевании для расчета допустимой интенсивности. Сорник научных трудов ВНИИМ и ТП. 1973, Т. IV, стр. 129134.

44.

Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго и массо-обмен в системе

растение -почва - воздух. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 360с.

45.

Никольская А.А., Мошнин Л.Ф., и Алдошкин А.А. Руководство по

применению

гидротехнической

внутрихозяйственной

трубопроводной

оросительной

сети.

арматуры

Москва :

на

ОСОИТД

"Союзгипроводхоз", 1983.

46.

Ольгаренко Г.В. Проблемы и перспективы развития орошаемого

земледелия. 30, Новочеркасск : б.н., 2000 г., стр. 212-215.

47. юга

Ольгаренко Г.В. Проблемы мелиорации и орошаемого земледелия

России:

Материалы

совместного

выездного

заседания

коллегии

Минсельхоза и Президиума Россельхозакадемии. Ростов н/Д : б.н., 2001 г., стр.

106-117.

48.

Остапчик В.П. Обоснование и разработка методов планирования

режимов орошения сельскохозяйственных культур. / Автореф. докт. дисс. // М.: 1986, с.41.

49.

Остапчик В.П., Информационно-советующая система управления

орошением. Киев : Урожай, 1989. стр. 248. ISBN 5-337-00391-7.

50.

Орошение

/Справочник

по

мелиорации

//Под

редакцией

Б.Б.Шумакова/ М.: «Колос», 1999. 432 с.

114

51. онтогенезе

Петинов Н.С. Комплексное регулирование и оптимизация в факторов

среды

и

физиолого-биохимических

процессов,

обеспечивающих при орошении и удобрении высокую продуктивность растений. / Биологические и агротехнические основы орошаемого земледелия.// М.: Наука, 1983, с.15-29.

52.

Петров Н.Г. Программирование урожаев сельскохозяйственных

культур в агролесосистемах. // М.: Росагропромиздат, 1991, с.125.

53.

Потемкин В.Г. MATLAB 6: среда проектирования инженерных

приложений. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003-448 с.

54.

Райнин В.Е. Моделирование и оптимизация развития орошения

земель. // Автореф. дисс. док. тех. наук. // М.: ВНИИГиМ, 1989, - 36 с.

55.

Рекомендации по созданию инженерной службы эксплуатации

внутрихозяйственной части оросительных систем. [ред.] Полухина Т.А. Коломна : ВНПО "Радуга", 1988г. стр. 51.

56.

Рекс Л.М. Системные исследования мелиоративных процессов и

систем. // М.: Аслан, 1995, -192 с.

57.

Скирта Б.К. АСУ програмус врожай. // Киев,: Урожай, 1988, с.69

58.

Столяров А.И., Бабай О.В., Задача оптимального управления

поливами сельскохозяйственных культур. Ростов-н/Д : Южгипроводхоз, 1972. стр. 40. Вып. 13.

59.

Судницин И.И. Движение почвенно влаги и водопотребление

растений. М : МГУ, 1979. стр. 253.

115

60.

Тимирязев К.А. Земледелие и физиология, растений. -Избр. соч. М.:

Огиз-Сельхозгиз, 1948, т.2, 423с.

61.

Харченко

С.И.

Гидрология

орошаемых

земель.

Л:

Гидрометеоиздат, 1975. стр. 373.

62.

Чебаевский В.Ф., Вишневский К.П., Накладов Н.Н. Проектирование

насосных станций и испытание насосных установок. // М.: Колос, 2000. - 376 с.

63.

Чичасов В.Я., Кантор О.В., Исследование впитывания воды в почву

при дождевании в Поволжье. Совершенствование методов гидрологических и почвенно-мелиоративных исследований орошения и осушения земель. 3, М : б.н., 1975г., стр. 170-174.

64.

Чугаев Р.Р. Гидравлика. Ленинград : "Энергия", 1975.

65.

Шабанов В.В. Комплексное мелиоpативное pегулиpование в зоне

избыточного неустойчивого увлажнения // в кн. Комплексные мелиоpации. М., Колос, 1980.

66.

Шатилов

И.С.,

Чудновский

А.Ф.

Агрофизические,

агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожаев. / Принципы АСУ ТП в земледелии. // Л.: Гидрометеоиздат, 1980.

67.

Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. К : Вища школа,

1981. стр. 212.

68.

Штепа Б.Г. Механизация полива: Справочник. М : Агропромиздат,

1990. стр. 117-122.

116

69.

Шумаков

Б.Б.,

Кан

Н.А.,

Столяров

А.И.

Математическое

моделирование в программировании урожая на орошаемых землях // Вестник с.-х. науки, 1977, № 6, с.115-122.

70.

Шумаков Б.Б., Кружилин И.П., Болотин А.Г. Оптимизация водного

режима почвы для запланированного урожая яровой пшеницы. // Вестник с.-х. науки, 1981, N 11, с.69-78.

71.

Якушев

информационной

В.П.

Разработка

системы

для

и

создание

автоматизированной

агрометеорологического

обеспечения

программирования урожая // Препринт/ Л.: АФИ. 1997.

72.

Bernardo D., Whittlesey N., e.a. Irrigation optimization under limited

water supply. Paper/American society of agricultural engineers, №85, 1985, p. 10-11.

73.

English J., James L. A practical view of deficit irrigation.

Paper/American society of agricultural engineers, №85, 1985, p.24.

74.

Fereres E. and Puech,I. Irrigation management program. // Univ.Calif.

Coop. Exten. Serv. and Calif. Depart. Water Res. 1980.

75.

Giannerini, G. RENANA MODEL: a model for irrigation scheduling,

employed on a large scale. 15th International Congress on Irrigation and Drainage.

The Netherlands, 1993.

76.

Jacucci G. Supplementrary Irrigation and Drought Water Managment.

Application of information modeling and decision support systems to irrigation in European

Mediterranean

agreculture.

Bari :

CINEAM

Inst.

Agronomico

Mediterraneo & Technomack di V.Chieco, 1992.

117

77.

Jacucci G., et al., Application of information modeling and decision

support systems to irrigation in European Mediterranean agreculture.//, Intl. Conf. on Supplementary Irrigation and Drought Water Management, CINEAM Inst.

Agronomico Mediterraneo & Tecnomack di V.Chieco, Bari, 1992.

78.

Jacucci G., Kabat,P., Pereira, HYDRA S.L.: a decision support model

for irrigation water management. 15th International Congress on Irrigation and Drainage. The Netherlands, 1993.

79.

Keulen H., Seligman N.G. and Benjaminг.W. Agric. Syst. Simulation of

water use and herbage growth in arid regions: a reevalution and further development of the model "ARID CROP". 1981. v.6 №3, pp. 159-193.

80.

Sharma D.K., and Kumar K.N., Ashok & Singh Effect of irrigation

scheduling on growth, yield and evapotranspiration of wheat in sodic soils.. /V. 18, №3., 1990г., Agr. Water. Manag., стр. 267-276.

81.

Walker W.R. Integrating Strategies for Improving Irrigation Sistem

Design and Management. Water Management Synthesis. // Project WMS Repot 70, Utah State University, Logan, Utah, 1990.

118

ПРИЛОЖЕНИЯ

119

120

121

122