Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оперативное планирование поливов в условиях неопределенности погодных факторов

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Оперативное планирование поливов в условиях неопределенности погодных факторов"

ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОМИССИЯ СОВЕТА МИНИСТРОВ СССР

ПО ПРОДОВОЛЬСТВИЮ И ЗАКУПКАМ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГИДРОМЕЛИОРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Гейн Антон Валентинович

УДК 631.418

ОПЕРАТИВНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

ПОЛИВОВ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПОГОДНЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 06.01.02 — мелиорация и орошаемое земледелие

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени щндидата технических наук

МОСКВА 1990

Работа в'гполнена на кафедре "Сельскохозяйственные гидротехнические мелиорации" Московского ордена Трудового Красного Знамени гидромелиоративного института.

Научный руководитель - доктор технических"наук,

А.И.Голованов

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

В.П.Остапч{тк

кандидат технических наук В.Н.Рыбкин

Ведущая организация - ВНПО "Радуга"

Защита состоится " " О&ггътЯ^чА 1990 г. в ^О часов на заседании Специализированного совета по присуждению ученой степени кандидата технических наук К 1*0.06.02 в Московском гидромелиоративном институте по адресу: 727550, Москва, ул.Прянишникова, 19, МГМИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по указанному адресу ученому секретарю совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан " и 1990 г.

Ученый секретарь

Специализированного совета,

кандидат технических наук ' ' Т.И.Сурикова

ОВДАЯ ХАРА1ПШШИКА Н\ШШ

Акгуа/¡ьнао?. На значительной ч>м;I и территрии нтигй страны орошении является необходимым ушюьш-и аМнкгивн.чго <:а-льокохо.чяйствениого производства. УромаПн. агь нул»,^ур во многом зависит от влажности почвы, когорт» регулирув-л)« п поиоигп поливоо.

ПоЛИЕН проводятся на фойе НвуирбВЛПиШЖ ЫШШИ* ВПЛЦ!. Й1! г 6111)! атмосферных осадков, солнечной рапииции и други,; не-гяпроящ нче~ сгсих факторов. В практике орошения приходится "ыщсив**сьсч" в сущестиуюгдно погодниз условия, поэтому эффективность орошения зависит от оптимальности сочетания резша поливов п ептеотвен нш увлажнением.

Процесо адаптации к погоднш условию! осложнимся технологической необходимость» заблаговременного назначения полипов при оперативном (за 5-10 суток) планировании. Для учета влиянии метеофакторов в течение периода планирования используются нъть-опрогнозы, которые не обладают на сегодняшний день достаточной точностью и дифференцированностьо по площади. Неопределенность погодных условий создает риск недополивов, что приводит к снижению урогая, или переполивов, что приводит к нерациональному рас ходу поливной воды, излишней промиваемости почвы, угрозе ее заболачивания и засоления. При атом чем больше неравномерность выпадения осадков, тем вше риск назначения неоптимального срок;, полива. Наиболее существен риск принятия неоптимального решения в степной п лесостепной зонах, которые характеризуются значительной многолетней и внутривегетацио!шой неравномерностью выпадения осадков.

Создание автоматизированных ороситеиытх систем, на которых

полив начинается немедленно при снижении в.чямнопти до критичм; -

я

кого значения, не решает проблемы недостоверных метеопрогнозов, так как возмо&но выпадение осадков сразу после полива, что сни-, каот его эффективность. Кроме того, как показано в работе, не всегда надетен сам принцип назначения поливов - поддержание влажности почвы б определенном диапазоне.

Изложенные обстоятельства определяют актуальность исследования методов оперативного планирования поливов а условиях неопределенности погодных факторов.

Цель_работ§ заключалась в разработке способа назначения норм и сроков поливов при их оперативном планировании с учетом вероятностного характера выпадения осадков. Задачей такого планирования является получение экономически наивыгоднейшего уровня урожайности с учетом всех затрат (в том числе на природоохранные мероприятия) в условиях недостоверных метеорологических прогнозов.

Мет0£и£а_исслед0вэыий заключалась, в основном, в натематическом моделировании процесса принятия решения о полива с использованием последних достижений теории передвижения влаги в почве, теории оптимального управления, современных представлений о формировании урожая под действием природных и.антропогенных факторов.

Научдаа новизна работы.

I. Исследовано влияние неравномерности выпадения осадков на изменение продуктивности растений. 0-гыечек.. значительная инерционность и сужение диапазона колебаний продуктивности по отношению к динамике почвенных влагозапасов и выпадению осад-. ков. Выявленные закономерности связаны с водоа ккумулирующими свойствами почвы и способностью растений к саморегуляции и позволяют обоснованно выбирать диапазон регулирования влажности почвы. ■

]

2. Выделены п оценши группы критериев назначения полиьов,

. гмечени особенности кавдой из них,что позволило разработать припиши 11 тактику оптимального оперативного планирования поливов.

3. Установлено, что на результаты планирования оказывает влияние степень риокз принятия неоптимального ротения, объект«-иго определяемая дисперсией метеопараметров и регулируемая с помощью взпошиваюшег'о коэффициента (меры риска).

4. На основе современных представлений теории передвижения влаги в почве разработана модель формирования почвенних влагозэ-пасов, описывающая их динамику» колебания уровня грунтовых оод, процессы поступления я расходования влаги, приспособленная для решения постаа1енной в данной работе задачи.

Практическая^це^одт]! работы.

1. Разработан способ оперативного планирования поливов,позволяющий оптимизировать их параметры в условиях недостоверных метеопрогнозов на основе статистического анализа погодных Факторов, оценки и регулирования риска принятия неоптимального решения с использованием экономических и экологических критериев.

2. Разработан алгоритм расчета и соответствующая программа для ЭВМ, позволяющая планировать поливы и оптимизировать их параметры в оперативном режиме.

3. На примере нескольких орошаемых районов степной зоны СССР показана эффективность оптимизации оперативного планирования поливов с учетом вероятностного характера метеофакторов. Применяя предложенный способ^ назначения поливов,можно без снижения уро1 жайности добиться существенной экономии оросительной воды за счет ее рационального использования.

4. Полученные зависимости для расчета водообмена между почвенной влагой иг грунтовыми водами'могут быть использованы при

проектировании маанирагивных сметой, обосновании мзяноративнщ мероприятий,

Ап^вация и Ё®1П,изация„работи. Результата работы докладывались ни нвучио-технических конференциях ИГЫИ в 1263-1909 гг., на Техническом совещании с Ташкентской институте ншенаров ирригации и механизации сельского хозяйство, заседаниях НТО института я®ор~ гбиегипроводхоа", использованы лабораторией реякыов орошэния института УярШШГиМ при адаптации информационно-соЕатувщоП системы оперативного планирования ороизния (1ЮС ОПО) к усяовиш близ-коайлогвшднх грунтовых вод. Предложенная в работе методика расчета режима оротаннл использована при составлении "Справочника из-лиоратора". ,

Структщ1й и обгсн |)аботых Диссертация состоит из введения, четырех глав, оаключоши: и црняогхзния» пзлодониых на 176 страницах. В работе имеется 25 таблиц, ЭД рисунка. Сш:сок лпторсту-ры вклочает 110 наименований, в том числа 18 рабо? верубогашх авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во_в_водении обосновывается актуальность теш, определяется цоль работы, описывается методика исследований, Привадятся результаты работы, ее научная новизна и практическая ценность. Приводятся сведения об апробации и реализации работы, технические данные о структуре и объема работы.

Отмечается, что из-за недостаточной достоверности штбоггрог-низов погодные условия на период планирования «окно полагать случайной величиной. Неопределенность погодных факторов не позволяет создьть оптимальный для растений водный реким, что приводит к потерям урожая и снижению почвенного плодородия.

Предполагается, что наиболее существен риск неоптимапьиого

решения в степной и лесостепной зонах, так как адесь во влажные годы осадки могут превышать потребность растений во влаге, а в засушливые годы наблвдается во значительный дефицит. Неравномерность распределения дефицита в этих климатических зонах велика п во вроыек:! (в течение вегетационного периода) и в пространстве (по площади, орошаемого массива)« Отмечается, что эти обстоятельства затрудняет оперативное планирование поливов, не позволяют достаточно точно прогнозировать дату полива и поливную норму и определяет актуальность исследований.

Перечисленные условия приводят к необходимости решения задачи оперативного планирования поливов оптимизационными методами. Основным критерием оптимальности кокет служить экономическая эффективность орошения при выполнении ограничений, связанных с уровнем продуктивности культур, сохранением почвенного плодородия, влияние« ка окружающую среду.

В пэ£вой_главэ на основании данных ряда авторов делается вывод о существенном влиянии на урожай даже небольших изменений нормы и срока полива. Приводится обзор и анализ методов планирования поливов при проект!фовании и эксплуатации оросительных систем. Отмечается, что при определении поливных норм часто применяется метод А.Н.Костикова, основанный на поддержании влажности почвы в оптимальном диапазоне. При назначении поливов в процессе эксплуатации оросительных систем широко используютоя работы И,А.Шарова, Ы.Ф.Натальчука. При оптимизации водораспределения в условиях дефицита водных ресурсов находят применение работы Е.П.Галямина.

В работе анализируются зависимости для определения водообмена мевду почвенной влагой и грунтовыми водами, водопотребления и других составляющих водного баланса. Дается краткий обзор и срав-

нательная оценка работ в области оперативного планирования поливов.

Отмечается, что большинство существующих штодов планирования поливов основывается на поддержании какого-либо критерия (чаще всего влажности почвы) в заданном диапазоне. Принципиально отличным от традиционных методов является экономическое плашфовшше, при которой сопоставляется затраты на проведение поливов и природоохранных мероприятий и стоимость урозадя при различных вариантах рзяиш поливов.

/1ля реализации экономических методов необходимо создание службы оперативного управления орошения. Такиа службы получили вафо-кое распространение за рубежом. 3 СССР информационно-советующая система оперативного планирования поливов (ИСС ОПО) создана в лаборатории реаимов ороиения УкрНИИГиМ под руководством 8.П.Останкина. Решая основные задачи оперативного планирования поливов, система, на наш взгляд, недостаточно использует современные достижения в области экономического планирования и передвижения влаги в почве.

Изложенный материал определяет задачу наших исследований, как разработку способа оперативного назначения норы и сроков поливов, учитывающего вероятностный характер матеофакторов, затраты на проведение поливов и природоохранных мероприятий, стоимость потерь или прибавки урожая.

Необходимым условием применения рассмотренных методов является коренное изменение экономического механизма в сельскохозяйственном производстве, в частности введение платы за водные и другие виды ресурсов, а также установление гибких закупочных цен, отражающих трудозатраты на производство сельскохозяйственной дукции в конкретных условиях.

Во^втоеой глав£ излагается подход к решения задачи, приводятся принятые ограничения и допущения, перечисляются основные : тп-пы исследований, описывается найденный алгоритм назначения оптимальных норм и сроков поливов.

Прг решении задачи выделены особенности планирования работы оросительной системы в отличив от других типов объектов. К числу таких особенностей относятся следующие: большие площади, неоднородность природно-климатических и производственных условий, активное взаимодействие с-внешней средой (открытость системы), ее

Г)

высокая отзывчивость на оптимизация. '

С позиций теории оптимального управления проведение полива можно рассматривать как управляющее воздействие на систему почва-растение, которая является объектом управления. Состояние объекта управления в каждый момент времени описывается фазовдаи ко< рдиня-тамн, в качестве которых может выступать влажность почвы, остол ние метеофакторов, фаза развития растений, глубина грунтог ос во; интенсивность поступления и расходования влаги» хрракгсрнс.гики

У

состояния окружающей среды, уровень продуктивности, оконсмичег показат&чи и т.д.

В результате управляющего воздействия происходит движение 11 екта по определенной фазовой траектории, то есть изменение его фазовых координат. Процесс управления описывается парой векторных функций:управления Ц({) и фазовой траекторией Х&) . Управляющая функция определяется управляющими параметрами 11(4

' ® нашем случае в качестве управлявших рассматриваются два параметра: срок начала полива и поливная нор 1а, то есть

Набор рассматриваемых фазовых координат зависит от принятых критериев оптимальности, в качестве которых могут быть исп ¡льзопа-

ны влажность почвы, урожайность культур, чистый доход, объем 1Ш--фильтрационгюго сброса и другие.

На изменение фазовых координат можно воздействовать, выбирая управляющие Функции и 1^(1) ; предполагается, что с

помощью этих Функций и зная фазовое состояние объекта в начальный момент времени, можно математически точно рассчитать поведение объекта для всех Й , то есть найти функции

характеризующие изменение фазовых координат с течением времени.

Задачей управления является выбор таких значений

—с»

изСО « которые переведут объект в конечное состояние ¡С, При этом требуется, чтобы процесс перехода из начального фазового состояния в конечное состояние был в определенном смысле "наилучшим". Такой "наилучший" переходный процесс называется оптимальным процессом, а обусловившее его т?правление 2/С4} оптимальным управлением.

Для оценки управления, необходимо выбрать критерии оптимальности. Традиционным критерием при назначении поливов является поддержание влажности почвы в заданном диапазоне. Колебания влажности почвы относительно оптимума неизбежны из-за дискретности увлажнения; предполагается, что они компенсируются способностью растений к саморегулированию. Однако, отзывчивость растений на это отклонение в различные периоды вегетации неодинакова, что приводит к необходимости оптимизации поливного режима о учетом фазы развития растений и влияния отклонения влажности почвы от оптимума на конечный урожай.

В таких условиях предпочтительным является использование критерия максимизации экономической эффективности орошения, однако для его успешного применения необходимо экономически оценить за?-

раты на орошение (с учетом стоимости поливной воды), ущерб от загрязнения водоприемника и грунтовых вод минерализованными сбросными водами, снижение плодородия почвы из-за ее излишней пробиваемости и т.д. Такая оценка при существующем экономическом механизме ч агропромышленном комплексе неосуществима. Применение те "неполной" экономической оценки, учитывающей только затраты на срояение и стошость прибавки урожая может нанести существенный экологический ущерб.

Из-за несовершенства экономических отношений в сельскохозяйственном производстве реальным на сегодняшний день является применение физических критериев. Наиболее приемлемым, на наш взгляд, является использование критерия минимизации инфилътрационных потерь поливной воды. Этот критерий создает условия для экономии поливной воды, предполагает сокращение вымыва питательных веществ и загрязнения грунтовых вод, предупреждает юс нежелательный подъел и угрозу вторичного засоления. Благодаря перечисленным обстоятельствам, использование этого критерия приводит к экономически нехудеим решениям, несмотря на отсутствие прямой экономической оценки.

Общепринятое стремление к максимизации продуктивности во многих случаях приводит к резкому увеличению затрат, не покрываемых дополнительной прибылью. Поэтому проектную продуктивность целесообразно принимать несколько ниже максимальной, задавая плако -вые потери. При такой постановке уровень продуктивности является не критерием, в одним из ограничений в процессе оптимизации нормы и срока полива.

Таким образом, поиск оптимальных параметров полива сводится к р>отению линейной оптимизационной задачи

ЙОТ. ш.

где Л/ - объем инфильтрационных потерь поливной воды при 6 -м варианте параметров полива; - соответственно фактичес-

кая и проектная продуктивность.

Необходимо отметить, что экономическая постановка задачи оперативного планирования поливов, как линейной оптимизации, возможна только при фиксированных, наперед-заданных закупочных ценах на сельскохозяйственную продукцию, то есть только в условиях плановой, "нерыночноЛ" экономики. При наличии свободного рынка цена сельхозпродукции зависит от объема производства. В этих условиях необходимо использование методов нелинейной оптимизации, значительно менее разработанных для практического применения.

Необходимым условием планирования является заблаговременность принятия решения о поливе и определения еГо параметров» Величина заблаговременности определяется несколькими условиями: необходимый запас времени для проведения агротехнических мероприятий и подготовки поливной техники; согласованность с периодичностью метеорологических прогнозов; период планирования должен быть достаточно мал дня того, чтобы в его рамках интенсивность осадков и водопотребления можно было считать постоянной величиной; продолжительность периода планирования не долнна превышать минимальную продолжительность межполивного периода. С учетом перечисленных требований, оптимальной величиной заблаговременности в степной зоне можно считать декаду.

"Ретроспективный анализ метеоданных станций степной зоны регрессионными методами показывает практическое отсутствие .корреля-1ции метеофакторов соседних декад. Это обстоятельство не позволяет

опираться при планировании на данные предшествующего периода и привода к необходимости рассмотрения каждой декады, как независимого временного элемента планирования.

В качестве обобщающего показателя, характеризующего состояние метеофакгоров нами использована величина £> *£д-0 (превишение испаряемости над осадками), характеризующая дефицит естественной влагообеспеченности- Величину О целесообразно представить в виде ряде дискретных значений ,

вероятность каждого из которых известна. При отсутствии метеопрогноза вектор Т^ ' строится на основании многолетних метеоданных. В этом случае, весь возможный диапазон средиедекадтсс дефицитов мозшо разбить на т интервалов, каждый из которых будет характеризоваться средним значением и вероятностью реализации.

Варианты управляющих воздействий также можно представить в виде Л - мерного вектора, где & - число оптимизируемых параметров полива. В нашем случае ^ = 2, то есть оптимизируется сро;с начала полива и поливная норма.

Дпл рассматриваемой декады возможно ^ вариантов сроков полива ( £ - число суток в декаде) и £ вариантов поливной нормы. Величину £ можно определить, задавшись минимальной и максимальной технически реализуемой.поливной нормой и определенным шагом дискретизации нормы. С учетом варианта без полива получим общее число вариантов действий для данной декады, каждый из которых характеризуется определенным сроком и нормой полива •.

+ 4. (2)

Таким образом, имеем матрицу вероятных результатов действий

при возможных сочетаниях дефицита естественной влагообеспечен-ности и вариантов норм и сроков полива (табд.1).

Величины представляют собой результаты действий,оце-

ненные по выбранному' критерию при I -м варианте действий- в условиях у -го варианта дефицита естественной влагообеспеченности. При такой постановке задачи оптимизационная процедура сводится к выбору варианта действий, то есть строки матрицы.

Далее в работе приводится классификация типов оптимизационных задач. Согласно теории оптимального управления, данная задача трактуется как оптимизация в условиях риска, так как известно вероятностное распределение случайной величины. Для принятия ревения в условиях риска разработан ряд правил, из которых, на .наш взгляд, целесообразно применение так называемого V - правила /З.Бадевиц/, согласно которому наилучшим является вариант, имею-

< щий экстремал ное значение Функции полезности

1 * »

где /АI - математическое ожидание результатов действий; ^ среднеквадратическое отклонение результатов действий; т! - фактор взвешивания» характеризующий готовность к риску.

• Таблица I .

Варианты дефицитов : ... Рт

Вероятность .- Ра • *» в А»

Варианты ; действий, ц. Ри • ♦ »

У, % Ьгт

• • ■ * » • • • • • • •

ЯШ ЯсЧ ...

V/, /?п2 » % • т

Вибор варианта действий заклячается в поиске экстремума функции полезности,' вычисленной в соответствии с принятым сритери-ем оптимальности. Если целевая Функция требует максимтппции результата действий (например, если з качестве критерия оптимальности принята экономическая эффективность)., то-увелич! ние взвешивающего параметра А уменьшает риск принятия неоптимального решения. При необходимости минимизировать результауы действий (например инфильтрационные потери поливной воды или внесение удобрений в почву), - увеличение А увеличивает \,иск.

Для оценки ряска (определения Л ) использована ¡зависимость, применяемая в теории вероятностей. При нормальном распределении случайной величины, ео значение заданной обеспечеиност'.т можно рассчитать по формуле . ,

х,а=Xso%(í± ñiCv), . <•*)

'где 4*в - значение случайной величины, обеспеченностью fi'í ;

- математическое ожидание случайной величины; F& - значение интеграла вероятности при обеспеченности Q \ Су - коэффициент вариации; • б> - среднеквадратическое отклонение.

При использовании функции полезности вида (3), ее значение ■ рассчитывается аналогично (4.).- При этом в качестве коффициента У\ выступает квантиль , то есть риск определяется,как

•функция (задаваемой обеспеченности случайной величины. Í

Таким образом, задавшись критерием оценки вариата действий,

- • ^ '

определив возможные состояния случайной величины и их вероятности, выбрав правило принятия решения, можно оптимизировать• процесс оперативного планирования поливов, оценивать и регул^ ровать риск принятия неоптимального решения.

В заключение второй главы приводятся допущения и ограничения,

принятые при постановке задачи, освещаются вопросы технологии практической реализации разработанной методик;?. Обосновывается необходимость математического моделирования орошения при оперативном планировании поливов.

В третьей главе разработан математический аппарат расчета влагепереноса, оценки продуктивности, процесса выбора варианта и принятия решения о норме и сроке полива. Все программы для ЭВМ написаны на алгоритмическом языке 50РГРАН-1У.

Для расчета динамики почвенных влагозапасов разработана фи-зико-сга'тистическая модель, в основе которой лежат уравнения баланса '.почвенных влагозапасов (5), грунтовых вод (6) и уравнение, описывающее вертикальные перетоки влаги, полученное автором совместного- А.И.Головановым (7):

где &шаг расчета по времени, сут; ~ влагоза-

пасы расчетного слоя в начале и в конце шага, мм; О,Ор составляющие водного баланса: осадки, суммарное водопотребление, поступление поливной воды, водообмен с нижележащим слоем, дренажный сток,- мм; - глубина грунтовых вод в начале и в конце шага-,' м; ¿0 - приведенная влажность расчетного слоя;

- максимальная молекулярная влагоемкость почвы; т - пористость почвы; $ - параметр, характеризующий механический состав почвы}'" - мощность "транзитной" зоны, м; Иг - мощ- . ность корнеобитаемого слоя, м; ¿3= ; .

Расчетная--схема приведена на рис.1.

I

(ч

Уравнение- (?) представляет собой аппроксимацию аналитического решения нелинейного дифференциального уравнения стационарного влагопереноса, полученного А. И.Головановым и О.Пала-сиосом. В работе проведена верификация модели по экспериментальным и литературным данным.

Использование в расчетах дифференциальных уравнений в конечно-разностной и других формах Рис Л не всегда возможно из-за необходимости, большого объема'^оптимизз-ционных расчетов и ограниченных возможностей ЭВМ. Друго^-п^лвю -использования аппроксимаций было сведение к разумному мадИ^кф, набора исходных данных. ^г**

Для оценки влияния в различные периоды вегетации отклонения влажности почвы от оптимума на урбжай использована зависимостк?" В.В.Шабанова . ' . .

приведенная влажность почвы средняя, для. данного периода; ¿д^, - оптимальная приведенная -влажность тгочЁы; СОцъ ■ ->•"'" влажность устойчивого завядания растений; Ъптимальная'

влажность для данной фазы развития растений**.- коэффициент саморегулирования растений в данную фазу вегетации; 5 носительная продуктивность.

ь

С помощью зависимости (-8) формирование продуктивности можно

Щ

-■■'ОТ: •.! -

представить как процесс ее последовательного накопления

'где - "вес" или вклад I -й фазы в конечную продуктивность.

Графически этот процесс накопления представлен на рис.2.

Кривая I иллюстрирует поддержание оптимальной влажности в течение всей вегетации и получение максимальной продуктивности ( «= I). Максимальная продуктивность монет

быть достигнута лишь при одном варианте режима влажности. При снижении проектной продуктивности до величины возникнет бесконечное

.множество вариантов режима влажности. Возможные траектории 3, 4 накопления продуктивности на рис. 2 размещаются между кривыми I и 2.

Выбранная траектория определяет Рис. 2 требуемый режим влажности почвы в

течение вегетации и фиксирует промеяуточные значения продуктивности ня конец каждой декады.

Д*дя оптимизации нормы и срока полива разработана математическая модель принятия решения. Если при моделирование варианта без полига на ближайшую декаду не обеспечивается требуемый уровень продуктивности) то, согласно табл.1, рассматривается матрица, определяемая вектором метеопараметров, векторами даты начала полита и поливной нормы. Продолжительность полива считается известной

и определяется-в зависимости от поливной техники и водно-физических свойств почвы. Для каадого рассматриваемого варианта дей-сгвий (строки матрицы - табл.1) рассчитывается Функция полезности.

Рассмотрение всех теоретически возможных вариантов действий простым перебором требует большого количества няпишнога времени для расчетов, поэтому при поиске оптимального решения нами использовались следующие допущения:

1. В течение одной декады проводится не более одного полива.

2. Если для данного варианта не выполняется ограничение по продуктивности, то оно не выполняется и для всех вариантов этой не поливной нормы, но о более поздним сроком полива, то есть если 5„ . £/, при А >У •

3. Если для данного варианта выполняется ограничение по

ч )

продуктивности, то оно выполняется и для всех вариантов этого ае срока полива, но с большей поливной нормой, то есть если , топри С>С . . ,

* а

4. При выполнении ограничения по продуктивности выгоднее поливать позже и меньшей нормой.

Алгоритм принятия решения о поливе с учетом изложенных до-цущений представлен на рис.3.

В четвер_той _главе приводятся результаты расчетов по описанной методике для нескольких орошаемых районов степной зоны. Использовались данные по метеостанциям Красный (Саратовская^

область) - за 33 года; Омск (Омская область).- за 35 лет; Крас-

о

нодар-Круглик (Краснодарский край) - за 35 лет; Клепинино (Крымская область) - за 35 лет.

Все перечисленные метеостанции расположены в зонах умеренного и недостаточного увлажнения, где традиционное орошение часто приводит к изменению почвенных и гидрогеологических условий

Рио.З

(подъему грунтових вод па слябодренированных территориях, нарушения почвенной структуры). Выбирались районы со сходными почвенными условиями, но с различной хонтшентальностью климата. Расчету проводились на примере провой пшеницы, которая в выбранных районах возделывается на значительных площадях.

Дзя каядой метеостанции данные упорядочены.в порядке убывания дефгщита естественной влагообесгтеченности, рассчитаны основные статистические моменты. Проведен статистический анализ сред-нвдекадных дефицитов. Получены математические. ожидания и статистические распределения дефицитов для каждой декады по всем метеостанциям.

Для оценки эффективности разработанной методики проведена серия сравнительных численных экспериментов. В первом случае поливы назначались по традиционной схеме - исходя из поддержания влапности корнеобитаемого слоя почвы в диапазоне 0,7...0,95 ППВ. Тем сами* моделировались условия автоматизированной оросительной систшы; полив начинался, как только влажность достигала нижнего предела регулирования. Таким образом, в этом случае эффективность орошения не зависела от точности метеорологического прогноза, а определялась лишь оптимальностью норм и сроков поливов. •

Во втором случае расчет проводился по описанной вше методике. При этом решение о поливе принималось заблаговременно, на. ближайшую декаду. В качестве критерия оптимальности принималась минимизация инфильтрационных потерь поливной воды. Проектная , относительная продуктивность принималась равной 0,9 от максимальной. Была смоделирована самая жесткая ситуация, когда отсутствовал оперативный прогноз метеофакторов и использовались лишь даоголегние метеоданные. Таким образом, во втором случае по срав-

нетто с первым, условия расчета осложнялись неопределенностью метеоусловий.

По данным кавдой метеостанции расч(ты проводились для девяти лет, из которых гри были "сухши" (обеспеченность вегеТаци- -онного дефицита б 5 33%), три - "нормальными" (331 < < 66^) и три "плакными" ( & Ь€>%). Обобщенные результаты расчетов приведены в табл.3.

Таблица 3

Сопоставление результатов расчетов режима орошения по традиционной и предлагаемой методикам

Мете о— г "Традиционная методика"1" ТГредлага ема я методика

станция ода X ' ~ - "м/б" "&Г ~ V

мм мм .мм мм мм мм

- 1С- ГI2! Г "

Сухие 4П,4 -8,7 0,074 470,4 333,3 ~48,9 0,878 379,6 Йсный Норма-

^ льные 273,1 -10,6 0,893 305,8 ¿¡00,0 4г,9 0,890 224,7

Влажные 155,2 -22,7 0,901 172,2 ДО,0 7,0 0к908 121,1

Среднее 279,9 -14,0 0,889 316,1 214,4 32,9 0,892 241,8

Сухие 251,8 -46,7 0,879 286,5 200,0 -11,8 0,908 220,3

Нормальные 193,7 -45,1 0,869 222,9 146,7 -14,4 0,913 160,7

Омск

Влажные 97,4 -54,3 0,886 110,9 83,3 -45,0 0,924 90,2

Среднее 181,0 -48,7 0,878 206,8 143,3 -23,7 0,915 157,1

Сухие 193,6 -0,2 0,891 217,3 153,3 32,3 0,907 169,0

Красно- н00,а

даР" льше" 174,1 -25,7 0,873 199,4 136,7 -2,7 0,919 148,7 Кругл ик ^ ■

ные 19,3 -30,0 0,968 19,9 20,0 -34,4 0,969 20,6 Среднее 129,0 -18,6 0,911 145,5 103,3 -1,6 0,932 112,8

Сухие 251,8 -24,2 0,878 286,8 193,3 17,3 0,898 215,2 ¡¡У", льтае" 135,5 -17,8 0,899 150,7 86,7 17,3 0,930 9-

Продолжение табл.3

_ I _ _ - _ . з _ _ § _ _5___6 _ _ 7___а__9__10_ _

Пленные 58,1 -25,2 0,928 62,6 20,0 3,4 0,930 21,5 Среднее 140,5 -22,4 0,902 166,7 100,0 12,7 0,919 110,0

Среднее по воем метеостанциям 184,6 -25,9 0,895 208,0 140,2 5,1 0,914 155,4

Результаты расчетов показывают, что уменьшение расхода полип ной воды происходит без снижения продуктивности. Дело в том, что в степной зоне нередко встречаются довольно длительные периоды, когда водопотребление компенсируется атмосферными осадками. Коли при этом влажность почвы незначительно превышает гфрдполивнуп.'го при планировании по традиционной методике, в течение всего периода полив на назначается, в результате чего теряется еущеотвештн часть урожая. Предполагаемая методика щзклрчвег розникновение таких ситуаций. Кроме того в расчетах иепольг.уегоя свойство ииерци онности колебаний продуктивности по отношению к динамике почвен пых влагозапасов и выпадению осадков, связанно« с водпяикумули рушим и свойствами почвы и способностью растений к саморегуляции и позволяющее обоснованно выбирать диапазон регулирования вляжро сти почьы.

Расход воды в случае назначения поливов по предложенной методике снижается в среднем на 203 по сравнению с традиционным планированием, что обусловлено оптимизацией норм и сроков полива В частности использование вероятностной оценки метеофакторов на' предстоящую декаду во.многих случаях позволяет избежать назначь ния тех поливов, вскоре после которых выпадали осадки, снижяти* эффективность орошения. Число таких поливов при планировании пи традиционной методике в наших расчетах составило 21 из пров^иьн

них П2-ги (аа 9 лет по четырем метеостанциям), то есть около 19$; при назначении поливов по предложенной методике етот поке-аатель не превысил 3$ (2 из 90 поливов), Дополнит елышП еффэкт получается эй счет снижения влажности почвы в периода низкой чувствительности растений к недостатку влаги. Благодаря етоыу в последующие, более "ответственный" фазы полив начинается при низкой влажности почвы, что резко сникает послеполивные шфильтрацион-ныэ потери.

Другой причиной экономии поливной воды в данной случаа являете* частичное использование блнзковалегающих грунтовых вод, так как критерием оптимальности являлась минимизация инфильтращюн-ных сбросов, но не ограничивался капиллярный проток в корнвоби- • таемый слой. При невозможности использования грунтовых вод из-за высокой минерализация или в случае их глубокого залегания, экономия воды снижается. Если исключить ату статью эконоии, пр»ь-бавив капиллярный приток к оросительной норме, то уменьшение расхода воды составит 10-12$.

Необходимо отметить, что экономил поливной воды - не единственный результат планирования поливов по предложенной методике. Принципиально важна возможность оптимально управлять продукционна процессом растений, акцентируя различные цели (иаксиик-зация прибыли, достижение заданного уровня урожайности, экономия оросительной воды, Минимизация инфильтрацио.шых сбросов, сохранение питательных веществ в почве и др.) в условиях неопределенности метеофакторб», оценивая риск принятия неоптимального решения.

В заключен]^'¿формулированы основные результаты выполненной работы, возможности ее практического использования, выводы и предложения.

I. При оперативном планировании поливов в условиях неопреде- '

лежкими метеорологических факторов целееоио^юно примененш принципов теории оптимального ущдвления, что позволяет ощлм-шть и регулировать риск при принятии решении, шйирать стратегию планирования. Оперативное планирован!' ; новивоь трактуется как задача линейной оптимизации. Цаневан функции строится на основе критерия оптимальности; целесообразно использовать экономические критерии, при отсутствии достаточных донных - Физические. Основным ограничением являв!ся уровень продуктивности.

2. Для оптимизационных расчетов, требующих большого объема вычислений, необходимо использовать относительно простые, достаточно обоснованные, адаптированные к конкретным у • аиям математические модели. На основе современных представлений теории передвижения влаги в почве нами разработана модель формирования почвенных влагозапасов, описывающая их динамику, колебания уровня грунтовых вод, процессы поступления и расходования влаги,приспособленная для решения поставленной в данной . работе задачи. Получены зависимости дня расчета водообмена между почвенной влагой и грунтовыми водами.

3. Разработан алгоритм расчета и соответствующая программа для ЭВМ, позволяющая планировать поливы и оптимизировать их параметры в оперативном режиме с учетом степени риска принятия неоптимального решения, объективно определяемой дисперсией метеопараметров и регулируемой с помощью взвешивающего коэффициента (меры риска).

4. С помощью разработанных моделей проведена серия сравнительных численных экспериментов по традиционной и разработанной методикам для условий степной зоны. Результаты расчетов показали эффективность вероятностной оценки мегеофакторов при оперативном планировании поливов, Применяя предложенный способ назначения по-

ливов можно без снижения уронайности добиться существенной экономии оросительной воды за счет ее рационального использования, - повысить эффективность управления продукционным процессом растений, акцентируя различные цели (максимизация прибили, достижение заданного уровня уронайности, минимизация ннфкльтрационных сбросов, сохранение питательных вешеств в почве и др.) в условиях неопределенности метеофакторов, оценивая риск принятия неоптшаль-ного решения.

5. Разработанную методику целесообразно использовать в качестве расчетного блока информационно-советующей системы оперативного планирования поливов. Возможны различные технологические схемы Функционирования таких систем. Оптимальным, на наш взгляд, является сочетание автоматизированного рабочего места мелиоратора в хозяйстве (на базе персональной ЭВМ) с агрометеорологической службой на уровне области, оперативно обрабатывающей информацию, выдающей метеопрогнозы, проводящей обследования, требующие слоеной .техники, например аэрофотосъемку. Перспективность создания таких.систем подтверждается опытом многих стран.

В щ>Ш0£еЦЩ приводятся тексты программ для ЭВМ, примера расчетов, результаты статистической обработки ыетеодонных.

Основные результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Расчет режима поливов на осушительно-увлакнительных сис-темах/УКомплексное мелиоративное регулирование/ Труды МГМИ.1985. В соавторстве с А.И.Головановым,

2. Справочник мелиоратора. М.:Агропромиэдат. Т.З "Осушение" 1985'. с.272-275.

3. Оптимизация оперативного планирования поливов /А'идротехника и мелиорация. № 10. 1987. В соавторстве с А.И.Головановым.