Моделирование подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц с целью прогнозирования их состояния

Золотарев, Николай Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Моделирование подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц с целью прогнозирования их состояния
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Моделирование подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц с целью прогнозирования их состояния"

На правах рукописи

^ё— 005050811

Золотарев Николай Валерьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДТОПЛЕНИЯ И ДРЕНИРОВАНИЯ МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЛАНДШАФТОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ СОСТОЯНИЯ

Специальность 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 1 ПАР 7013

Омск-2013

005050811

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сологаёв Валерий Иванович

Официальные оппоненты: Ахмедов Аскар Джангир Оглы

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», профессор кафедры «Кадастр недвижимости и геодезии»; Скворцов Виктор Фил иппович кандидат технических наук,

ГНУ «Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий Россельхозакадемии», начальник отдела исследований экологической безопасности производств и сооружений.

Ведущая организация - Омский филиал ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации», г. Омск.

Защита диссертации состоится 18 марта 2013 года в 10 ч. 15 мин. на заседании диссертационного совета Д220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, Университетский проспект, 26, зал заседаний.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан 15 февраля 2013 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и ВолГАУ.

Ученый секретарь

диссертационного совета, профессор ^ Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Проблема регулирования водного режима на мелиорируемых территориях является актуальной. Оптимальное положение уровня грунтовых вод (УГВ) обеспечивает нормальную эксплуатацию территорий, создает благоприятные условия для повышения урожайности культур на сельскохозяйственных угодьях. Антропогенное влияние может привести к неблагоприятным последствиям и опасным процессам: подтоплению, оползням, эрозии, засолению почв, и, как следствие, к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Существует необходимость в развитии методологии прогнозирования подтопления и дренирования мелиорируемых территорий.

Одним из современных инструментов исследований является компьютерное моделирование, позволяющее быстро и своевременно рассчитать варианты развития неблагоприятных процессов. При этом существует много способов по осуществлению компьютерного моделирования при помощи различных специализированных программ и языков программирования.

В данной работе рассмотрено использование электронных таблиц для моделирования подтопления и дренирования мелиорируемых территорий, что позволяет оперативно получать необходимые результаты.

Степень разработанности темы.

Многие аспекты влагопереноса исследованы в почвоведении как у нас в стране, так и за рубежом — А. А. Роде, С. В. Нерпиным, А. Ф. Чудновским, А. Н. Будаговским, A.M. Глобусом, И. И. Суднициным, В. Гарднером, Е. Чайлдсом, А. Клютом и др. Результаты кх исследований использовали гидрогеологи. В математических моделях влагопереносов, где зоны аэрации и насыщения рассматривались как одна область, границами которой являются поверхность земли, поверхностные водотоки и водоупор, подстилающий верхнюю часть многопластовой зоны насыщения, уровень грунтовых вод как внешняя граница не рассматривается, а определяется в процессе решений

конкретных задач. Такие постановки задач излагаются в работах И. С. Пашковского, А. В. Бадова, А. Б. Ситникова и др. Математическая теория влагопереноса рассматривается в работах Н. Н. Веригина, П. Я. Полубариновой-Кочиной, С. Т. Рыбаковой, Л. Лукнера, Л. М. Рекса, Дж.

Рубина, В. Я. Кулика.

Метод конечных разностей, которому посвящен ряд работ, был впервые разработан Г. Н. Каменским для оценки питания грунтовых вод и в дальнейшем получил свое развитие в работах П.А. Киселева, В.И. Сологаева и др.

Цель работы - разработать методологию компьютерного моделирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для прогнозирования их состояния. Задачи исследований:

- обобщение и оценка существующих методов изучения режима

грунтовых вод мелиорируемых земель;

- получение формул по моделированию подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для персональных компьютеров и мобильных телефонов и разработка методологии их использования;

- разработка методологии прогнозирования процессов подтопления и дренирования мелиорируемых участков с использованием электронных таблиц;

- экспериментальная проверка разработанной методологии с помощью лабораторных и полевых исследований;

- внедрение разработанной методологии в практику мелиоративного

строительства.

Научная новизна состоит в разработке экспресс-метода моделирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц на персональных компьютерах и мобильных телефонах.

территориях мелиорируемых ландшафтов. Результаты внедрения методики в области мелиорации подтверждают её практическую значимость. Повышена точность прогнозных оценок подтопления и дренирования мелиорируемых территорий. Кроме использования персональных компьютеров, применение методики на мобильных телефонах придает ей дополнителыгую степень свободы и доступности использования. Результаты исследования внедрены в «Омскмелиоводхоз»; ООО Компании «АЯКС-Агро».

Личный вклад автора состоит в анализе результатов натурных и лабораторных исследований с учетом обобщения литературных источников, разработке физических и математических моделей процессов плоскопараллельного движения потоков грунтовых вод и исследования процессов радиального движения этих вод. Проведено исследование динамической капиллярной каймы для плоскопараллельной модели безнапорной фильтрации. Выполнено внедрение результатов данных исследований для конкретного участка сельскохозяйственных земель в отношении прогнозирования динамики подъема грунтовых вод при орошении.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 10 научных работах, в том числе 3 работы - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Общий объем публикационных работ составляет 3,47 п.л. (2,32 п.л. приходится на долю автора).

Структура н содержание работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 119 наименований и 10 приложений. Работа содержит 102 страницы основного текста, 6 таблиц, 21 рисунок. Приложения размещены на 87 страницах.

Методология и методы исследований. Методической основой настоящего исследования являются взаимосвязанные основополагающие понятия мелиоративной науки, гидрогеологии и климатологии; теоретические разработки ведущих ученых и научных учреждений; широкая практика их применения и использования.

При решении поставленных задач применялись физическое, математическое и компьютерное моделирование в их эффективном

взаимодействии.

Положения, выносимые на защиту:

-методология моделирования подтопления мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для прогнозирования их состояния;

- методология моделирования дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для прогнозирования их состояния;

-вывод формул по моделированию подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц на персональных компьютерах и мобильных телефонах;

-экспериментальная оценка сопоставимости расчетных и опытных

данных процессов моделирования;

-практическое внедрение методологии применения электронных таблиц

для мелиорируемых участков.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные положения работы обсуждались на II международной научно-практической конференции к 60-летию экономического факультета института экономики и финансов ОмГАУ, Омск, 27-28 ноября (2008 г.), международном научно-техническом форуме «Реализация программы развития сельского хозяйства и регулирование рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы», Омск, 26-27 февраля (2009 г.), международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию факультета водохозяйственного строительства ФГОУ ВПО ОмГАУ, Омск, 3-4 декабря (2009 г.), научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» в Московском государственном университете природообустройства, Москва, (2011 г.), теоретическом семинаре инженерных факультетов Волгоградского ГАУ (2012г).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены цели и задачи исследования.

В первой главе приводится обзор существующих методик моделирования динамики подземных вод и их применение.

Физическое моделирование использовано в работе для исследования частных случаев динамического распространения потоков влаги, а также для проверки теоретических зависимостей, математических и компьютерных моделей.

Численное моделирование активно использовано в работе для построения компьютерных моделей, опираясь на дифференциальные уравнения движения воды.

Многие аспекты влагопереноса исследованы в почвоведении, как у нас в стране, так и за рубежом — А. А. Роде, С. В. Нерпиным, А. Ф. Чудновским, А. Н. Будаговским, А.М. Глобусом, И. И. Суднициным, В. Гарднером, Е. Чайлдсом, А. Клютом и др.

К методам прогнозирования можно отнести: метод Буссинеска -Майэ, позволяющий предсказать уровень подземных вод, дебиты. Такие явления могут формироваться под влиянием подземного стока или при отсутствии инфильтрации и испарения с зеркала водной поверхности; метод Форхгеймера предполагает выражать взаимодействие реки и грунтовых вод в виде синусоиды.

Аналитические методы для решения дифференциальных уравнений представлены B.C. Алексеевым, H.H. Веригиным, Е.С. Дзекцером, Б.М. Дегтяревым, А.Ж. Муфтаховым, Н.П. Курановым, С.П. Поздняковым, В.М. Шестаковым и другими.

Широкое применение метод конечных разностей (МКР) получил в 1940-х годах в работах Г.Н. Каменского. С началом 1950-х годов, с развитием электронно-вычислительной техники, активное развитие получили численные методы фильтрации. A.A. Самарским (1982, 2001) был разработан принцип

баланса при построении конечно-разностных схем, что обеспечило ему высокую надежность. Профессором В.И. Сологаевым (2002) разработан метод электронных таблиц, позволяющий проводить расчеты подтопления в условиях

антропогенной нагрузки.

Обзор существующих методов моделирования показал, что, несмотря на их разнообразие, они достаточно сложны для целей прогнозирования подтопления и дренирования в сравнении с методом моделирования в электронных таблицах. Таким образом, приведенные исследования в

диссертации являются актуальными.

Во второй главе диссертации рассматривается моделирование подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом конечных разностей в электронных таблицах на персональных компьютерах и мобильных телефонах.

Проанализированы несколько основных факторов, способных оказать влияние на вывод формул моделирования: выбор компьютерной программы, в среде которой воплощается модель; рассмотрение объекта исследования или процесса, к которому применяется методика; математический метод, на котором будет основываться построение формулы моделирования. Все это делает математическое описание движения подземных вод индивидуальным

для каждого случая исследования.

Для компьютерного моделирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц с целью прогнозирования применен метод конечных разностей, предоставляющий возможности:

- использования структуры этих таблиц для решения задач моделирования фильтрации с применением сетки;

- использования формулы Дарси. интегрированной в формулу моделирования в электронных таблицах;

- учета соответствующей гидрогеологической обстановки в рассматриваемых объектах исследования.

Выбор компьютерной программы - это важный этап моделирования. С ее помощью достигается процесс исследования. Этот этап является звеном между пользователем и электронно-вычислительной машиной. От выбора компьютерной программы во многом зависят возможности моделирования и принципы, по которым будет строиться данная модель.

Программное обеспечение для расчета режима подземных вод заслуживает особого внимания.

К нему можно отнести Geo-Slope SEEP/W, VADOSE/W, языки программирования Basic, С++,Surf, Voxler и др.

Выбор компьютерной программы был сделан в пользу электронных таблиц (Microsoft Excel, Open Office.org Cale, Micro Cale и др.), получивших массовое распространение.

В данной работе с использованием метода конечных разностей применительно к электронным таблицам получены формулы моделирования плоскопараллельного и радиального движения воды.

Рассмотрен процесс образования области подтопления при плоскопараллельной фильтрации воды в дренирующих слоях на горизонтальном водоупоре (рисунок 1).

Я А

Ур.В-

1 - кровля водоупора; 2 - дренирующие слои; 3 - кривая подпора; 4 - начальный слой воды; 5 - относительный водоупор Рисунок 1 -Схема подтопления дренирующих слоев

Запишем интегро-дифференциальное уравнение баланса фильтрации через дренирующий слой с учетом закона Дарси:

где к- коэффициент фильтрации дренирующего слоя; Ц - недостаток насыщения дренирующего слоя; Ь- переменная длина области подтопления; I

В результате решения уравнение (1) найдена формула для нестационарной длины области подтопления I при плоскопараллельной фильтрации воды в дренирующих слоях на горизонтальном водоупоре в виде

л] /¿(Но+Не)

Далее рассмотрен процесс дренирования проницаемого слоя при

плоскопараллельной фильтрации воды на горизонтальном водоупоре (рисунок 2).

1 - кровля водоупора; 2 - проницаемый слой; 3 - кривая депрессии; 4 - начальный слой воды; 5 - относительный водоупор Рисунок 2 - Схема дренирования слоев

Уравнение баланса процесса фильтрации воды к дрене аналогично (1), при этом ¿ - зона влияния дренажа, а и - коэффициент водоотдачи грунта проницаемого слоя.

- время.

Граничные условия решаемой задачи для дренирования имеют вид:

Я(0Л)=Яа; (3)

11(0, ¿)=//е; (4)

где Нл — напор воды в дрене; Не — естественный напор воды.

Все остальные выкладки аналогичны предыдущим, как при решении задачи о подтоплении. Проделав их, получаем решение для зоны влияния дренажа в проницаемом слое в виде:

2кС(Не-На)г

(5)

КНе+На)

Формула (5) в частном случае дрены на водоупоре при Нл = 0 принимает

вид:

12ыне _ ^ 1ЫЧе С V и

(6)

Далее решена стационарная задача определения расходаводы через противофильтрационную завесу в грунтовой насыпи с использованием гидравлической постановки и закона Дарси. Решена система уравнений: (1_к±11Л К-рЬ-Нг) _ (н2+н3\ кг(н2-н3)

Пк+н2\ _ к-Оь-ъ) _ /н2+н3\ _ к7-(иг 4 2/ \ 2 ) 1г

ҐИі+НЛ . Х-(Нг-Н3) _ ҐНз+НЛ . Кг-(н3-н4) ч 2 / ¿і 4 2/ Ь4 '

(7)

(8)

где неизвестными и искомыми являются напоры Н2 и Н} на стенках завесы, остальные обозначения представлены на рисунке 3.

Ур.в.

1 - противофильтрационная завеса; 2 - кривая депрессии без завесы; 3 — то же с завесой Рисунок 3 -Схема поперечного сечения грунтовой насыпи мелиорируемых территорий

Решением системы (7) и (8), получены формулы для последовательного расчёта напоров на стенках завесы:

Н2 =

-ТТГ. кТТх >

(9)

(10)

где вначале определены Н2, а затем Я3. Далее находится фильтрационный расход по Дюпюи:

а) через завесу:

б) через насыпь без завесы:

2Ьг

к(ні-ні)

(И) (12)

Помимо плоскопараллельных задач, методология разработана я для радиальных задач. Рассмотрен случай подтопления из источника с постоянным уровнем в однородном грунте (рисунок 4).

У|).в. Ур-з-

Рисунок 4 — Схема плановой радиальной безнапорной фильтрации воды

Исходное уравнение баланса воды при стационарной фильтрации можно описать уравнением:

Н|',+Я? 2-я-Е-(»,!,-»■>) »¡»-^±1 2''

~т_' -(£) " 2 -ш

■ .5+1 Ш?

(13)

Из уравнения (13) получаем формулу моделирования для напора фунтовых вод:

(14)

_ гт5" | -------1--

"I ~ П1 V ^.[(г;+1+П)2-(П+П-!)2] 1п(Г(/Г£_!) 1п(г£+1/П)

Формула (14) относится к явной схеме МКР. В ней последующее значение напора находится по предыдущим Компьютерная модель,

которая представлена на рисунке 5, построена для сравнения с опытными данными, полученными для песчаного грунта.

Я, см

0.05952029

1.057Е- 05

3.1107Е-14

1 6419Е-33

/■, СМ

~0~

Рисунок 5- Результаты моделирования нестационарной радиальной в плане фильтрации с использованием электронных таблиц

Одним из преимуществ метода МКР с использованием электронных таблиц является возможность применения его на различных вычислительных устройствах, в том числе на мобильных телефонах, что было реализовано при

моделировании плоскопараллельной и радиальной фильтрации (рисунки 6,7).Численные результаты представлены в таблице 1.

Рисунок 6 -Сотовый телефон, использованный для составления моделирования фильтрации и формулы моделирования

Таблица 1 - Результаты моделирования радиальной фильтрации на мобильном телефоне

А В С В Е Р С Н I 3

4 г 5 10 15 20 25 30 35 40 Время {

5 9 0 0 0 0 0 0 0 0

6 9 1,57759 0 0 0 0 0 0 9

7 9 3,02384 0,03231 0 0 0 0 0 18

9 4,11894 0,151 1,017Е-05 0 0 0 0 27

9 Н 9 4,80198 0,37049 0,0002322 8.1Е-13 0 0 0 36

10 9 5,16728 0,66506 0,0015689 4.2Е-10 4,2Е-27 0 0 45

11 9 5,35055 0,99619 0,0058761 2Е-08 1,2Е-21 9,9Е-56 0 54

12 9 5,45042 1,333 0,0155393 2,9Е-07 2,5Е-18 7,4Е-45 0 63

13 9 5,51948 1,65621 0,0328365 2,2Е-06 5,4Е-16 3,5Е-38 0 72

14 9 5,58073 1,9553 0,0595203 1ДЕ-05 3,1Е-14 1,6Е-33 0 81

Таким образом, разработана методология моделирования с использованием электронных таблиц на сотовом телефоне для расчета

прогнозирования подтопления территорий антропогенных ландшафтов при радиальной фильтрации воды с постоянным уровнем.

В третьей главе представлены результаты лабораторных и полевых опытов, проведенных в сопоставлении с результатами компьютерного моделирования. К данным опытам относились: использование грунтового лотка для изучения плоскопараллельного фильтрационного потока (рисунок 7. а.); имитации скважины, для процессов радиальной фильтрации (экспресс-откачки и экспресс-налива) - (рисунок 7. б).

а)

б)

Рисунок 7 -Схемы проведения опыта плоскопараллельной фильтрации (а) и проведения опыта радиальной фильтрации (б)

Расхождение результатов между физическими опытами и компьютерными моделями располагалось в диапазоне от 0 до 19%, что является допустимой погрешностью.

Опытным путем (рисунок 8) также были получены значения коэффицентов недостатка насыщения и водоотдачи. Полученные результаты

опыта использовались для вычисления значений напоров в компьютерной модели плоскопарраллельной и радиальной фильтрации, реализованной методом электронных таблиц.

Вытеснение воздуха

I_| Смачивание

водой

а)

Заполнение воздухом

Стекание гравитационной влаги

б)

Рисунок 8 -Схематическое изображение опыта по определению коэффицентов: а) недостатка насыщения; б) водоотдачи

Важным этапом исследований является изучение процессов капиллярного подъема. Опытные наблюдения проводились в лабораторных условиях, в естественных условиях у берега реки и в фильтрационном лотке во время проведения опыта плоскопараллельной фильтрации.

Результыты влияния капилярной каймы на распространение области подтопления и, следовательно, на точность результатов модели представлены в таблице 2.

Полученные данные сопоставлены с результатами расчетов по формулам Аверьянова С.Ф. и Полубариновой-Кочиной П.Я. Установлено различие между капиллярными свойствами грунта в естественном и нарушенном состоянии, что необходимо учитывать при прогнозировании.

Таблица 2 — Расчёт высоты капиллярного подъёма

Расчет для Ьк=20см Расчет для Ьк=5с,м

= 0,277-95,7 _ 5 см/сек ф 10-10-9 _ 0,277-95,7 _ 442 см/сек Ч> 10-10-6

ь* = ^ + 0,2 ■ 20 = 9 см ь* = + 0,2 ■ 5 = 6см

1'теор — 1,616 ■ 1 1Г1Ґ іґ0,0442-10-22764 Ьтеор - 1,616 • ^ 0 29 ) 95,2 см

^0,0241-10-2276у7Ъ7см

95,7 - 77,7 5 = 95 7 • 100 = 19% 5,95,7-95,2 95,7

Наблюдение за динамикой процесса каппилярного подъема проводилось на стенде (рисунок 9), состоящем из деревянной рамы, пяти прозрачных стеклянных трубок и емкости с водой.

Данный опыт проведен с целью уточнения закономерностей динамики капиллярной каймы.

Рисунок 9 - Схема прибора для исследования капилярного поъема

В четвертой главе обобщены и сформулированы практические рекомендации внедрения методики прогнозов подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц. Применение методологии компьютерного моделирования с использованием электронных таблиц выполнено для составления прогноза подъема УГВ на

участке орошения в АО «Измайловское», Калачинского района Омской области. Рассматриваемый участок расположен в 110 км к востоку от областного центра г. Омска в лесостепной зоне, на расстоянии до 500 м от водоисточника (он же водоприемник поверхностных и грунтовых вод) р. Омь. Орошение проектируетсядождевальными машинами ДМУ - АСС «Фрегат» при использовании разбавленых и биологически очищенных сточных вод хозяйства на кормовом севообороте.

Рисунок 10 -План участка орошения с гидроизогипсами на 20-й год подъема уровня грунтовых вод (УГВ)

Исходные гидрогеологические, мелиоративные, почвенные и хозяйственные данные по участку послужили материалом для практического применения предложенной методологии использования электронных таблиц. Конечной целью в данном случае являлось установление прогноза подъема уровня грунтовых вод до критической глубины, составление профилей УГВ через расчетные промежутки времени и построение карты гидроизогипс в предкритическом состоянии. Все это выполнено и представлено в графическом виде в диссертационной работе.

Заключение

1. Разработан экспресс-метод прогнозирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц для персональных компьютеров и мобильных телефонов.

2. Получены формулы по моделированию плоскопараллельного и радиального движения подземных вод в областях фильтрации, характерных для антропогенных ландшафтов мелиорируемых территорий.

3. Проведены проверочные опыты по плоскопараллелыюй фильтрации воды в лотке, заполненном песчаным грунтом. Полученные данные сопоставлены с моделями по методу конечных разностей в электронных таблицах. Расхождение результатов располагалось в диапазоне от 0...19% для большинства опытов. Дальнейшее использование методики проведено на мобильных телефонах в виде решения задачи моделирования подтопления речной поймы.

4. Результаты серии других полевых опытов по радиальной фильтрации сопоставлены с компьютерными моделями данного процесса. Обнаружено удовлетворительное совпадение положения уровня грунтовых вод за определенные промежутки времени как в физической, так и компьютерной модели во всей серии опытов, с погрешностью в диапазоне 1...5 %.

5. Внедрение разработанной методики для конкретного ландшафтно-хозяйственного участка позволило спрогнозировать процесс подъема грунтовых вод и установить период времени достижения критического уровня 1,7 м от поверхности земли на 20 год от начала полива.

Рекомендуется:

применение разработанной методики прогнозирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц для персональных компьютеров и мобильных телефонов в практике мелиоративного строительства.

Перспективы дальнейшей разработки темы:

-совершенствование методологии ДО трехмерных нестационарных моделей прогнозирования подтопления и дренирования с использованием метода конечных разностей в электронных таблицах;

- совершенствование предложенной методологии на сотовых телефонах с учетом дальнейшего увеличения их вычислительных возможностей по производительности и оперативной памяти;

- реализация метода моделирования в электронных таблицах как инструмента мониторинга.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. Сологаев, В. И. О моделировании радиальной фильтрации методом электронных таблиц / В. И. Сологаев, Н. В. Золотарев // Вести. СибАДИ. -2011.-№1.-С. 62-66.

2. Сологаев, В. И. Моделирование подтопления мелиорируемого участка методом электронных таблиц / В. И. Сологаев, Н. В. Золотарев //

Вестник СибАДИ. - 2012. - №4. - С. 51-54.

3. Сологаев, В. И. Моделирование радиальной фильтрации методом электронных таблиц на мобильных телефонах / В. И. Сологаев, Н. В. Золотарев // Вести. Ом.гос. техн. ун-та. - 2011. - №1. - С.198-200.

в других изданиях:

4. Сологаев, В. И. О влиянии природно-техногенных элементов на подтопление антропогенных ландшафтов / В. И. Сологаев, Н. В. Золотарев // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию факультета водохозяйственного строительства - Омский государственный аграрный университет: 3-4 декабря. 2009 г. - Омск, 2009. -С. 53-55.

5. Сологаев, В. И. О моделировании методом электронных таблиц подтопления и дренирования антропогенных территорий ландшафтов при

радиальной фильтрации воды с постоянным уровнем / В.И. Сологаев, Н.В. Золотарев // Вестник СибАДИ. - 2009. - №3. - С. 77-81.

6. Сологаев, В. И. О моделировании плоскопараллельного движения грунтовых вод с использованием метода электронных таблиц / В. И. Сологаев, Н. В. Золотарев /У Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» - Московский государственный университет природообустройства-М. 2011.-Ч.4-С.239-246.

7. Сологаев, В. И. О моделировании подтопления и дренирования антропогенных ландшафтов с помощью электронных таблиц на мобильных телефонах / В.И.Сологаев, Н.В.Золотарев // Материалы II Международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию экономического факультета - Института экономики и финансов Омского государственного аграрного университета : 27-28 нояб. 2008 г. - Омск, 2008. - Ч. 2. - С. 269-273.

8. Сологаев, В. И. Об эффективности противофильтрационных завес для автомобильных дорог / В.И.Сологаев, Н.В.Золотарев // Вестн. СибАДИ. -2009. -№1.- С. 45-48.

9. Сологаев, В. И. О подтоплении дренирующих слоев дорожных конструкций при плоскопараллельной фильтрации воды с постоянным уровнем / В.И.Сологаев, Н.В.Золотарсв // Вестник СибАДИ. - 2009. - №2. - С. 36-39.

10. Сологаев, В. И. О применении электронных таблиц под виртуальными машинами для моделирования подтопления и дренирования на антропогенных ландшафтах / В.И.Сологаев, Н.В.Золотарсв // Материалы международного научно-технического форума Омского государственного аграрного университета, 26-27 фев. 2009 г. - Омск, 2009. -С. 310-312.

Золотарев Николай Валерьевич

Специальность 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.02.2013. Формат 60><84 /,6 Бумага офсетная Гарнитура «Тайме». Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 2

Отпечатано в редакционно-полиграфическом отделе издательства ФГБОУ ВПО ОмГАУ при Институте экономике и финансов. Омск-8, ул. Физкультурная, 8е

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Золотарев, Николай Валерьевич, Омск

со

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ| ! ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени П.А. Столыпина»

На правах рукописи 2__-

I ЗОЛОТАРЕВ

1 ] I

НИКОЛАЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДТОПЛЕНИЯ |и ДРЕНИРОВАНИЯ МЕЛИОРИРУЕМЫХ ЛАНДШАФТОВ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОННЫХ ТАБЛИЦ С ЦЕЛЬЮ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИХ СОСТОЯНИЯ

06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

Диссертация |

на соискание ученой степени

I I

кандидата технических наук

q Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

В.И. Сологаев

Омск 2013

Введение

Оглавление

Глава 1. Природно-хозяйственная основа необходимости совершенствования

методологии прогнозирования экологических состояний земельных участков.....9

1.1 Природно-хозяйственные предпосылки необходимости использования современных методов прогнозирования......................................................9

1.2. Обзор существующих методик моделирования динамики подземных вод и их

прогнозирования..................................................................................14

Глава 2. Моделирование подтопления и дренирования антропогенных

ландшафтов методом конечных разностей в электронных таблицах................22

2.1. Выбор компьютерной программы как инструмента моделирования подтопления и дренирования антропогенных

ландшафтов.......................................................................................26

2.3. Принципы построения компьютерной модели подтопления и дренирования антропогенных ландшафтов в среде электронных таблиц...............................30

2.4. Формулы моделирования метода конечных разностей (МКР) для прогнозов подтопления и дренирования антропогенных ландшафтов.............................36

2.5. Моделирование плоскопараллельной и радиальной фильтрации с использованием мобильных телефонов.....................................................48

2.5.1. Моделирование плоскопараллельной фильтрации с использованием мобильных телефонов............................................................................49

2.5.2. Моделирование радиальной фильтрации с использованием мобильных

телефонов.....................................................................................................52

Глава. 3. Физическое моделирование плоскопараллельной и радиальной фильтрации..........................................................................................55

3.1. Физическое моделирование плоскопараллельной

фильтрации..........................................................................................56

3.2. Физическое моделирование радиальной фильтрации................................62

3.3. Определение коэффициентов недостатка насыщения, водоотдачи и

капиллярного подъема...................................................................................67

Глава 4. Практическое использование результатов выполненного исследования

применительно к сельскохозяйственному производству................................75

4.1 Этапы формирования компьютерной модели с использованием электронных

таблиц..............................................................................................75

4.2Тепловодобалансовые и природохозяйственные условия сельскохозяйственной

зоны Западной Сибири и рассматриваемого участка....................................80

4.3. Составление прогноза подъема грунтовых вод на участке орошения АО

«Измайловское» с использованием электронных таблиц...............................96

Заключение........................................................................................103

Список литературы................................................................................104

Приложения......................................................................................118

Введение

Естественно-природные факторы создают одно из самых ощутимых влияний на эффективность сельскохозяйственного производства наряду с применением технических средств и использованием соответствующих биологических объектов. Из них значительное влияние на конечный результат, помимо температурного режима, оказывают водный режим почвогрунтов, залегание подземных вод и водоупора, а также динамика подземных вод.

В связи с быстрым развитием науки и технических средств, появляются новые возможности регулирования этих факторов и их оперативного определения и прогнозирования. При этом одним из инструментов исследований является метод компьютерного моделирования с использованием электронных таблиц. Данный метод и является предметом рассмотрения в настоящем исследовании.

Представленное материалы могут принести пользу при установлении мер защиты от засоления сельскохозяйственных земель и подтопления земель различных категорий.

осуществлению компьютерного моделирования при помощи различных специализированных программ и языков программирования.

Степень разработанности темы.

Многие аспекты влагопереноса исследованы в почвоведении как у нас в стране, так и за рубежом — А. А. Роде, С. В. Нерпиным, А. Ф. Чудновским, А. Н. Будаговским, A.M. Глобусом, И. И. Суднициным, В. Гарднером, Е. Чайлдсом, А. Клютом и др. Эти результаты использовали гидрогеологи. В математических моделях, где зоны аэрации и насыщения рассматривались как одна область, границами которой являются поверхность земли, поверхностные водотоки и водоупор, подстилающий верхнюю часть многопластовой зоны насыщения, уровень грунтовых вод как внешняя граница не рассматривается, а определяется в процессе решения задачи. Такие постановки задач излагаются в работах И. С. Пашковского, А. В. Бадова, А. Б. Ситникова и др. Математическая теория влагопереноса рассматривается в работах Н. Н. Веригина, П. Я. Полубариновой-Кочиной, С. Т. Рыбаковой, JI. Лукнера, Л. М. Рекса, Дж. Рубина, В. Я. Кулика.

Метод конечных разностей, которому посвящен ряд работ, был впервые разработан Г.Н. Каменским для оценки питания грунтовых вод и в дальнейшем получил свое развитие в работах П.А. Киселева, В.И. Сологаева и др.

Цель работы - разработка методологии компьютерного моделирования подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для прогнозирования их состояния.

Задачи исследований:

- обобщение и оценка существующих методов изучения режима грунтовых вод мелиорируемых земель;

- получение формул по моделированию подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для

персональных компьютеров и мобильных телефонов и разработка методологии их использования;

- экспериментальная проверка разработанной методологии с помощью лабораторных и полевых исследований;

- внедрение разработанной методологии в практику мелиоративного строительства.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы состоит в модернизации существующих математических моделей плоскопараллельной и радиальной фильтрации подземных вод на территориях мелиорируемых ландшафтов. Результаты внедрения методики в области мелиорации подтверждают её практическую значимость. Повышена точность прогнозных оценок подтопления и дренирования мелиорируемых территорий. Кроме использования персональных компьютеров, применение методики на мобильных телефонах придает ей дополнительную степень свободы и доступности использования. Результаты исследования внедрены в («Омскмелиоводхоз»; ООО Компании «АЯКС-Агро»).

сельскохозяйственных земель в отношении прогнозирования динамики подъема грунтовых вод при орошении.

При решении поставленных задач применялись: физическое, математическое и компьютерное моделирование в их эффективном взаимодействии.

Положения, выносимые на защиту:

- методология моделирования подтопления мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц для прогнозирования их состояния;

- вывод формул по моделированию подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов с использованием электронных таблиц на персональных компьютерах и мобильных телефонах;

- экспериментальная оценка сопоставимости расчетных и опытных данных процессов моделирования;

- практическое внедрение методологии применения электронных таблиц для мелиорируемых участков.

практической конференции, посвященной 80-летию факультета водохозяйственного строительства ФГОУ ВПО ОмГАУ, Омск, 3-4 декабря (2009 г.), научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения» в Московском Государственном Университете природообустройства, Москва, (2011 г.), теоретическом семинаре инженерных факультетов Волгоградского ГАУ (2012г).

Глава 1. Природно-хозяйственная основа необходимости совершенствования методологии прогнозирования экологических состояний земельных участков

1.1 Природно-хозяйственные предпосылки необходимости использования современных методов прогнозирования

Антропогенные ландшафты исторически ориентированы на земельные, водные и климатические ресурсы, среди которых почвы, являясь источником плодородия, занимают одно из ведущих мест в этом процессе. Неразрывно с ними почвенная влага также является непременной составляющей частью формирования урожая сельскохозяйственных культур, но в естественных климатических и гидрогеологических условиях имеет значительные количественные изменения. Поэтому получение по годам устойчивых, биологически и экономически эффективных урожаев необходимых сельскохозяйственных культур связано с использованием различных приемов земельных и водных мелиораций.

В последнем случае происходят изменения водного баланса различных территорий, а также речного стока за счет перераспределения используемых водных ресурсов. При этом возникает вероятность отрицательных последствий в результате целенаправленных и непреднамеренных отклонений антропогенных процессов от сложившейся природной динамики.

Основы комплексных водобалансовых исследований позволяют выявить состояния почвенного и растительного покрова ландшафтных участков, изменений потоков поверхностных и грунтовых вод, водоносности рек и процессов влагообмена в почвах. Данные основы были заложены В.В. Докучаевым, А.И. Воейковым, A.A. Измаильским, П.А. Костычевым еще в конце XIX века.

Дальнейшие работы по изучению проблем сельскохозяйственной мелиорации и, в частности, орошения были выполнены А.Н. Костяковым, А.М.Алпатьевым, С.М. Алпатьевым, Н.А.Мосиенко, С.И. Харченко, В.В. Шабановым, И.А. Шикломановым, Б.А. Шумаковым, Б.Г. Штепа и др. [102]

Эти работы позволили составить довольно реальную картину возможных экологических изменений природных комплексов под воздействием орошения.

Орошение в настоящее время - одно из важнейших направлений интенсификации сельскохозяйственного производства в регионах с недостаточным и неустойчивым увлажнением, в т.ч. Западной Сибири.

Применение современных методов исследований на орошаемых массивах обеспечивает получение результатов проведения поливов, удобрений и средств защиты растений с установлением различных закономерностей во взаимодействии с экологическими факторами. Одним из опасных последствий орошения является засоление земель и снижение по этой причине почвенного плодородия, хотя гранулометрический состав не претерпевает существенных изменений [99]. Другими негативными явлениями при орошении могут быть деградация физических свойств почв, развитие подтопления и заболачивания, водная эрозия, дегумификация почв, неблагоприятные изменения видового состава биоты и др.

Экологически безопасное функционирование орошаемых агроэкосистем может быть достигнуто при условии сбалансированного взаимодействия природных и антропогенных факторов, в том числе необходимых и допустимых arpo- и гидромелиоративных воздействий на почвы в естественных или искусственных гидрогеологических состояниях, не вызывающих деградации таких почв.

Другим звеном возникновения неблагоприятных последствий является изменение гидрологических, гидрогеологических и почвенных состояний ландшафтных участков при гидротехническом строительстве по созданию водохранилищ на сибирских реках, влекущих подтопление прилегающих

территорий, как правило, лучших по экологическим и экономическим условиям, а также при строительстве сети автодорог, представляющих существенные препятствия для естественного грунтового стока.

Во всех этих случаях, как и при орошении сельскохозяйственных земель, возможны подтопления и переувлажнения земель в зонах воздействия изменяющегося водного баланса. При этом, помимо изменений в сельскохозяйственном состоянии участков, возникают серьезные эрозионные процессы в виде обрушения берегов, сокращения земель сельскохозяйственного назначения, образования отмелей, нередко мелководий в зоне затопления, ухудшения качества водотоков из-за уменьшения их скоростей и усиления их прогревания, а также из-за неподготовленности ложа водохранилищ по причине оставленного леса.

Плановое изучение этих аспектов началось в 70-е годы прошлого века учеными Западно-Сибирского филиала АН СССР под руководством профессора Д.И. Абрамовича и продолжены в 80-х годах Институтом водных и экологических проблем (ИВЭП СО РАН) под руководством академика О.Ф. Васильева [79].

За все эти годы были проведены стационарные наблюдения за динамикой компонентов природной среды - почвенного покрова, растительности, грунтовых вод и экзогенных процессов.

Для наиболее полного выявления последствий территориального перераспределения речного стока, оценки влияния антропогенных факторов на режим приречных природных систем, научного обоснования мероприятий по использованию ресурсов Обь-Иртышского бассейна и охраны окружающей среды региона была организована комплексная экспедиция, в состав которой входили представители семи институтов СО АН.

Были выявлены неблагоприятные техногенные тенденции увлажненности юга Обь-Иртышского междуречья и прогрессирующее ухудшение хозяйственно -экономического состояния его крупных озер, которые вызвали необходимость разработки мероприятий по внутрибассейновому перераспределению стока

Верхней и Средней Оби. Для научного обоснования предлагаемых проектных решений на юге западной Сибири были проведены комплексные г

Информация о работе

Золотарев, Николай Валерьевич
кандидата технических наук
Омск, 2013
ВАК 06.01.02

Диссертация

Моделирование подтопления и дренирования мелиорируемых ландшафтов методом электронных таблиц с целью прогнозирования их состояния - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы