Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Оптимизация использования водных ресурсов в условиях их дефицита (на примере аридных зон СНГ и Сирии)

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация использования водных ресурсов в условиях их дефицита (на примере аридных зон СНГ и Сирии)"

Pre од

ft Ж* 'СЖРО-КАВКАЗСШ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ШС1ШЙ luiiOJIiJ

На правах рукописи

КШУй Свшр • .

ОПТИМИЗАЦИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОДНЫХ. РЕСУРСОВ В УСЛОВИЯХ ИХ ДОШИТА (на примере аридных зон СНГ и Сирии)

Специальность II.00,II - охрана окружающей среды

я рациональное, использование природных ресурсов

Автореферат .диссертации на соискание , ученой степени кандидата физико-математических наув

Росто*-на-Дону 1993 г.

Работа выполнена в Ростовском ордена Трудового Краевого Знамени государственном университете

Еаучшй руководитель: доктор фязико-ыатэыатических наук,

профессор А.Б.Горстко

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор О.П.Кисаров,

кандидат физико-математических наук доцент Ф.А.Сурков

Ведущая организация: Северо-Кавказский филиал Российского

НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов (

Защита состоится "77" рп^лЛ 1993 года в

часов на заседании специализированного совета Д 064,40.01 при Северо-Кавказском научном центре высшей школы по адресу: 344700, г.Ростов-на-Дону, ул.Пушкинская, 140.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКВЦ БШ.

Автореферат разослан * п у . / ,4 1993 года.

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук . V Е.И.Богуславский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕШСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Напряженная водохозяйственная ситуация, складывающаяся к настоящему времени на многих территориях, относя -щихся в аридной зоне и обусловленная, с одной стороны, возрастающим водогтотрейлением отраслей народного хозяйства, а с другой -обостряющимся дефицитом водных ресурсов, привела к необходимости ' разработки научной основы охраны и преобразования природа в це -' лях улучшения окружающей среды и лучшего использования-природных ресурсов, в том числе и водных.

• 1 Водные ресурсы являются одним из валнейших факторов, опре -делящих развитие эконошки, от их правильного использования зависят дальнейшее-развитие производства и сельского хозяйства.

Проблема охраны водно! среда от загрязнения, актуальность кот-рой непрерывно возрастает, является одним из важнейших ас -, пектов »Национального природопользования. Требования охраны вод должны исходить из необходимости полного использования их есте -ственных-запасов- для удовлетворения разнообразных потребностей ' ¡общества, всестороннего л рационального включения ях в процесс производства. Задача состоит в совершенствовании методологии планирования охраны водной среда, позволявшей учесть комплексный характер использования водных ресурсов в народном хозяйстве, который наряду со спецификой функционирования водного хозяйства ставит проблему рационального использования и охраны водных ре -сурсов в число важнейших составляющих общей проблемы рациональ -ного водопользования. Проблема рационального использования и воспроизводства природных ресурсов, в том числе и водных, вклю -чена в число основных задач народного хозяйства.

При этом, наряду с необходимостью разработки оптимальных планов распределения водных ресурсов между водопотребителями, на первый план выступает задача по созданию системы, позволяющей с наибольшим эффектом использовать все имеющиеся источники водных ресурсов на рациональной основе, не подрывая богатств и продуктивности природа.

В данной работе впервые была поставлена цель создания ими -тациошбй системы прогноза совместного использования поверхностных и подземных вод орошаемой территории и адаптируемой к любой орошаемой территории, дая которой решается аналогичный круг за -

дач.

Под совместным испол: зованиеы поверхностных в подземных вед понимается совместное использование водохранилища в qpaxna, управление ими для более рационального использования.

Объектом исследования данной работ являются модели сроов • «ашшх систем (включая поверхностные в подземные источники) аридной вони.

Основной цельи работы выступает создание иедшш рацаональ ■ bofo совмоотного использования водных ресурсов водохранилища г скважин. При этой необходимо собдвдать условяе сохранения устой ' пявостя природной среда, которое должно войта в число основных критериев ирг алашрованин к управлении ороежгельннгга система Применительно к арддной зова, одан нз основных критериев - вто сохранение в воспроизводство водоземедьных ресурсов, что видна . гает на первый план тезис о том, что необходимы мероприятия, направленные не ва борьбу с отрицательными последствиями фущцз ояированш ВХС, в предупрездагвдае атв последствия.

Создание единой стабильной оросительной система, связанной о различными источниками водоснабжения, позволит поднять урсзаЗ ность и увеличить выпуск сельскохозяйственной продукции. Это позволит таюг получать гарантированный ypoaafl с засушшвых тес рзгорай, а такве. решать ыноговарпантныэ прогнозные задачи. Для достижения егой цели необходим решить следувдае задачи:

- провести анализ существующих моделей н методов описания формирования и трансформации яовер-ягостшлс е подземных вод в ус ловлях орошаемого земледелия;

- разработать структуру едятацаоинрй снстеш и выполнить t программную реализацию на ЭВМ; ' •

- оптимизировать водораспределение в оросительной снстеш;

- провести апробацию для конкретного объекта моделирование; аридной зови, выполнить многовараантные расчеты.

Методы исследований. В работе используется методология coi роменннх представленяй о применении математического моделирова тя а математических методов в научных исследованиях.

Научная новизна работа состоит в следующем:

- разработаны модели для системы совместного использована подземных в поверхностных вод;

- создана имитационная система, описывающая динамику по -верхЕосгных я подаемных вод, и методика построения прохаводст-

r:'tx \ rfíVTC.íi spo'.'vM:

- арзк-чогла cuoc^hí сстте."язэ1Р1лг р^слредзлезги вояннг. росур-соз ютвркшяпчх а пояз.ггглгх тсто'ззгков оросгтелмтсй сяогггп о гс-ъко гквлаяеетя ypotass

- разр?йот2.то ттадгзь ззпесжва водн:

- лроязвздогп psciosH« ггозволяддага опрояалкзь оатехэлышо ороодтшшо nop'-i дня paccatpaKis!«oro рзйокэ.

Нтактэтеская зваултесть, раДота зягхглаетоя п сяедзщзм. В ¿'сясзпях сгр??лчеямож подт»; ресурсов, гчо ткет- изсто г гргзгяс: ногах» очень ггг-то согллсовкпно пспсльзоза®» году лз T"~.a:K'iiur доступ?^! гоюяшсчгз« по дсзускз* шюзвяэсяк одного «г. гак. Плзгдю ?ajqry> рсс*";плсо'1~; дпе? лспояьзсзшгаз изтодов и

i'pox'pcí^i, лроддо"е"гг"~; s rcño^s»

Ро язслс^оь^пи* esTopb;i спуолндо -

г-лт--? дзэ пазготз.рчбсзп

Структура и обггя д-тссятгя'-'нп« Ягссертешконпап работа со -стеяг. из оглав~зкгяг «ведется, -тага глаз, зеягтенся, еалсяя пслотазовахпгой лдгэрагтри re пргаояэшЗ, псего за 133 стрякпЕг:, л чяохв зсотор^п: 55 стрзют основного текста, ЗЭ ргсушк® вз 21 схрзтхэ, 12 саФпз ra II с?рзнлца~, 53 тЬ.Ж5нованяг дасзраяура га 5 стряютгиг, 2 ветлолеш-.™ та 2 osjKsraopx.

ОТД2ШЗШ шш

В Егррзой глада ззлогопа основшге аргягцпщ п подходя к ошгс-гяиздет водораспргдсдопся на осесзо а~гтетшс?о авзлвза a кагегаь татесппх кзяодсв. Рзссяогреда рябого ссзетстзз: и зарубогшиг ав -горов, откосягдося к щ:со'ле:.:з рздаоиаяьЕого аспояьзоааЕпя з рао-прздеясняя водаыг ресурсов, Boa 'рассйогрззяие нсслеловшзот уга ~ онваз? га большой дс&здиг з орссптаятлюй г: петг-шгой воде для яузд прс1Уэлспко-1'.с12ззкш>гого хозяйства но многих рцгзопах СНГ ir САР з зох.язкзйео зодосмов. Нсэтсму настсзательной неойходшос-5íío является изучензе в ра*®ах всей soeh Еерерастфедсйгеивх зз ра-¡гксиздьнсго лсподьзовавгй яодшхх ресурсов п охрана от пэгзтив-еого зоздейсгзпя водохозяйственной дс-тгояьнсста-. Зхоноаотес^ля эффективность патявазИолучетая з р-заудыгате лрдмздевш татепатнче-скпх нетодов а ялавярозшшя вслолцаваши водаьж ресурсов дая лррлгоцгш хайозп, рпсиолсжеплого в арэдкой зоне,- па 18 J5 внгз

экономической эффективности, полученной в результате решения этой яе задачи традиционным способом.

Акашгзлруются существующие модатш водораспределзния; пока -зано, что эти модели отражают только отдельные аспекты фунздио -парования водных систем. 0>21 непригодны для решения комплексных задач совместного использования поверхностных и подземных вод, поз то.1.13' необходимо разработать систему математических моделей, позволяющую оптимально распределять воду ыевду потребителями, учитывая при втом все источники водоснабжения к интересы охраны природа.

Во второй главе произведен сравнительный анализ управления веяными ресурсами аридной зоны СНГ и Сирии, дана характеристика орозителышх систем бассейнов данных территорий, определены об -оде черты и особенности состояния водных ресурсов и перспективы их использования. Особенности аридной зоны определяют характер водного хозяйства и его структуру, а также стратегические направления а задачи его дальнейшего развитая и совериенствовашш. Как дая Сирии, так и для СНГ развитие высокопродуктивного сельхозпро-кззодства - ото не только потенциальная возможность аридной зоны, но и настоятельная необходимость для удовлетворения потребностей быстрорастущего населения в продуктах питания и обеспечения занятости сельского населения, поэтому ведстам водопотребителем здесь выступает сельское хозяйство. '

Для Сирил в качестве иллюстрации рассмотрены четыре района: Дамасский, Оронтский, Прпбреашй и «лишений; дая СНГ - бассейны рек Амударья.и Сырдарья'. Показано, что возникновение проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов обусловлено тем, что экстенсивный характер вксплуатации водных ресурсов правел к тому, что во многих речшх бассейнах масштабы использования вода стали сравнимы с их запасами. Б результате возникла объзк -гшзная необходимость перехода от этого способа эксплуатации к интенсивному, то есть к более полному, эффективному и комплексному использованию водных ресурсов. Следовательно, в настоящее время при планировании использования водных ресурсов следует исходить но тальк*, из интересов народного хозяйства и населения, но и в равной мере учитывать возможности природа. ; .

Сравнительный анализ запасов и использования водных ресурсов! в аридных зонах СНГ и Сирии показал, что состояние ведохозяйст;--: вензшу запросов во всех рассматриваемых районах Сирии в несколько

раз дольни объема водозабора и использования в народном хозяй-: стве. В рассмотренных районах аридной зону СНГ интенсивное раэвя-• тие хозяйства также приводит к почтя полному исчерпанию пх водных ресурсов, особенно в каловодше года, в то время как в районах Сирии предпринимаются тщательно разработанные программы регулирования использования стока рок.

Третья глава состоит из четырех параграфов. В первых трех параграфах описаны математические модели, нс-■ пользуемые в созданной имитационной о.тсте-е совместного использования поверхностных я подземных вод. К этим моделям откосятся: "модель водохранилища, модель «сватан, модель ззаимодейстзяя.

• В модели водохранилища величина регулируемого объема (ЯК1" ) находится из уравнения:

= V1"' ^ вР^ - км* - УМО , < * >

где V1 ' - объем воды в водохранилище в предыдущее время;

_ суммарный приток вода в водохранилище за время ;

- нерегулируемый объем воды в момент времени X ; Ш0 -мертвый объем вода в водохранилище; - объем воды, предназначенный дая обеспечения водопотребителей, расположенных в зоне обслуживания.

■ В модели скважин вычисляется пьезометрический напор:

п

■ ( 2 »

1 = I

где ^ - величина пьезометрического шпора з скваяинв ^ ; Ц -сопа1 - пьезометрический напор для данного пласта; сц - дебит скважины I ; ^ ~ радиус влияния скважины ^ ; КЪ ' ;

- время эксплуатации скваданы » Гц - расстояние между скватшами I и ^ ; к - коэффициент фильтрации; т - мощность

пласта; & - постоянная, зависящая от параметров пласта.

Вышеописанные модели водохранилища п скваетп не учитывает их взаимосвязи. Вместе с тем, в ряде случаев запасы подземных вод пополняются за счет инфильтравдя поверхностных вод. В связи с этим, разработана модель, учитывающая указанную взаимосвязь

по следящей формуле:

^ . . см

и* г)-/ V.

где и - пьезометрическое давление сквагзаш в текуирй к

•ояедуздаЙ моменты Бремена соответственно; м - обьеа

водохрелилиша в текущий к следузкдаЕ гранты врггленл соотввтсг -в.то; г - расстояние ыезду ьодо^аиялзчом и снвагпкой.

В четвертом параграф на основе математических моделей создана имитационная састека» позволяющая получить обшрнув информацию по исследуемому вопросу: как изаяшогся объем водохранилища Еа счет "водозабора на ороизнне„ как алляет водохранилище на скважпш при наличии болхшх {^атрациошгж потерь» а 'лакге как нзменяехсд пьезсщетрячаскяй шшор ь кавдой пз сквозил.

• Б клитационнуа сыатему входят юодсяк следувдк объектов: водохранилища, скваяин, водоястребд'л-л&й {сальскохозяйстБЗшас полей хлопчатника).

. Скачет г датирует саедокуш щкедгсси: а) процесса,, протекающие вкутря объектов; й) процессы взаимодействия объектов.

К "внутренним" процессам относятся осадки, &ш>трзция, испарение, •транспярацся, поверхностный в почвенный сток, русловый приток, изменение объема водохранилища, изменение пьезометрлчео-кото напора сквазакы-, рост урожая.

К процесса!,! взаимодействуя объектов относятся влияние изменения объема водохранилища на ш>е зомйтрпческий вапор скваааош, . влзшшо пзызнеюш пьезометрического' шпора одной сквазшы ш пьезометрический' напор другой окваглиы, влияние размера ороситедьюй цоркы на рост урокая.

' Работу имитационной системы дашо продставить схемой:

ВС ■УР

Входными данными для имитационной системы являются:

КР - константы конкретного региона (площадь водной поверх -.ности водохранилища, координаты скваяшн, площади сельскохозяйственных угсдай, коэффициент функций роста с/х культур и т.п.);

УП - управляемые параметры (объемы водозаборов, размеры оросятелькых норм, распределение водозаборов по скважинам и потребителям);

СВ - случайные воздействия (температура, осадки,.скорость

• ветра, влажность воздуха);

ВС - вектор состояния в начале имитации (объем водохранилища,. напоры скважин).

• - . Выходными данными для имитационной системы являются:

ВС - вектор состояния з конце имитации;

УР - суммарный урожай за вегегагаоннкй период со всех сель. окохозяйстаенных площадей.

Имитация осуществляется с дискретным шагом по времени, равным одной декаде (10 дней).

Функциональные блоки ИС.

1. Водохранилище. В этом блоке вычисляется изменение объема водохранллща и объема, доступного для водозабора за один шаг по времени (за одну декаду).

2. Влияние изменения объема водохранилища на пьезометрический надор скважины.

3. Взаимодействие мезду скваяинамк. В этом блоке выделяется, как изменение пьезометрического напора в одной скважине влияет на пьезометрический шпор всех остальных скважин.*

4. Объем воды, получаемой из скважин. По пьезометрическому напору скважины я ее деблту подсчятывается объем вода, который выкачивается из скважины за декаду.

5. Урожай. В блоке "Урожай" вычисляется прирост урожая за •данную декаду, причем величина прироста зависит не только от объема воды (оросительной нормы), выделенного водопотребители в данную декаду, но и от распределения объемов по другим декадам.

Все вышеописанные блоки реализованы в виде отдельных процедур ка языке программирования высокого уровня PASCAL (версии Turbo PASCAL 6.0 ). Взаимодействие блоков представлено в основном блоке программы и происходит следущим образом:

Вводятся исходные данные (константы региона и случайные воздействия Еа весь период даагацш).

Вводится распределение водозаборов и оросительных кори (представлены двумя матрицами: в первой элемент матрицы (I ,^ ) -это водозабор в I ню декаду ^ -му водопотребителю).

В цикле по декадам прорабатывают процедуры:

- изменение объема водохранилища; ' - измэкение напоров скважин;

- влияние изменения объема водохранилища на напоры скваяащ

- вычисление объемов скважия за декаду.

Далее проверяется, если номер декада лежит внутри вегетационного периода, то в цикле по водопотребителям:

- вычисляется прирост уро;хая за декаду (на единице площади);

- вычисляется урожай с качала вегетация до текущей декады (на единице тлощади);

- вычисляется суммарный урожай со всей площади с./х поля ео-допотребителя с начала урожая до текущей декады.

После того, как внешний цикл (по декадам) проработает 36 раз (число декад в году) можно определить уроаай, собранный со всей рассматриваемой территории.

С помовдю имитационной системы, пробуя различные варианты распределения можно получать различные значения уроная.

Естественно возникает задача оптимизации, которая сформулирована и решена в следующей главе.

Четвертая глава состоит из двух параграфов.

В первом параграфе решаются две задачи:

1) разработка математической модели процесса водораспреде-лекшт а оросительных системах на основе выбранного критерия оптимизации водораспределенкя;

2) построение производственных функций оросительных систем, отражающие связь меяду величиной выпускаемой сельскохозяйственной продукции и количеством воды, поданной на орошение.

Математическая модель водораспределешя в оросительных оио-'темах в рассматриваемой задаче является первым этапом на пути разработки стохастической модели оросительной системы и может бить использована для решения широкого класса конкретных задач, возникалцих в процессе планирования водораспределения и управления этим процессом в оросительных системах.

В качестве критерия оптимальности принимается:

тах

( I

где объем урожая, полученный за вегетационный период.

^ Выполнение критерия (X) позволяет обеспечить в условиях експлуатаиии высокий показатель урожая сельскохозяйственных предприятий и.при наличии ограничений на водные ресурсы.

Для оптимального распределения вода необходимо определить зависимость величины урокап от количества полученной воды.

Целевая функция имеет ввд:

и ПОТР

.....

(Ч)

.1*1

'В этом выражения, функция урожайности имеет вид:

1 «>.( / «11®«

-г

\ «»т /

(5)

где К" ».К* , ». К" , К\' , К? - эмпирически выделенные коэф-

. фициепты урожайности для I -й'декады, для данной с/х культур:!, . для данной климатической зоны; - объем воды, наделенной в т -ю декаду на единицу полценой площади ] -го потребителя; СС - коэффициент, учитыващий длительные периоды отсутствич по -•"дива.

Ограничения: суммарный объем воды, который выделяется всем потребителям эа I -м декаду,не мшет превышать объема, доступного для водозабора из водохранилища и из всех скважин: ^ ^,(11)

"/ 2;лV*«, V (в>

■ ¿-I

где - суммарный водозабор за ¡. -ю декаду; V - суммарный

объем воды, доступной в I -ю декаду; Э - площадь с/х угодий ^ -го потребителя.

Итак, -задача оптимизации водораспределения ставится следующим образом: максимизировать функцию (Ч ) при ограничениях (Ц):

/(X) —- шах

(Щ)

г, * V

где УР^ в ' _ объем воды, вэделенной потреби -

телям за I -ю декаду.

При решении такого класса задач хорошие результаты дает использование метода случайного поиска с самообучением. Процесс поиска будет состоять из трех этапов: ' I этап - анализ.

Обозначим х^ - матрица распределения X на I -м шаге оп -тимизации. Из точки Х^ попытаемся'сдвинуться в направлении, улучшающем значение целевой функции. Тс есть из делается т независимых случайных проб д ТГ^ в соответствии с некото-

рым-вероятностным распределением р (Н / Мч) ■ » где ^ = 1,

..., ю -.номер пробы, ТГ - матрица' случайных.чисел той же

структуры, что и X : § - длина пробного шага; - "вектор

памяти" - ' Млек' • Ыпотр -мерный единичный вектор, в котором

запоминаете удачное направление на I -м шаге оптимизации.

На первом этапе определяется значение целевой функции для каждой пробы и'вычисляется наилучшее

Ках >датся гг\ах ^ П этап - решение.

Определяется направление рабочего шага л X - о 22 150 условия: '

/(X - 93:*) - /(* ♦

Ш этап - обучение.

Теперь у нас получена новая информация о "хорошем" направлении (дХ ¡,4) и имеется опнт (). Мы связываем имепцуюся ин -формацию, изменяя направлениэ:

ш „ йХ >м

а .

т #

где; й - душна рабочего шага.

При ограничениях (ТГ) оптимальное распределение будет ле -жать в пределах от 0 до ООН:

0< Х*{ <0<Ж{ , для V I #<1 ,

где X*-1 ~ оптимальная оросительная норма для ^ -го потребителя

.за I -в декаду при ограничениях ( ц ); ООН? оптимальная

оросительная норма для ^ -го потребителя за I -ю дгсаду без ограничений (то есть когда нет дефицита водных ресурсов)«

В качестве начального приближения молго выбрать произвольное распределение Х0' » находящееся в указанных пределах.

В третьей главе я перзом параграфе четвертой главы были описаны имитационная система количественной оценки водных ресурсов водохранилища и скважин и система, оптимизируюцая распределение гткх ресурсов меэду водопотребителями. Задача оптимизации стави- - ' лась как задача с однны критерием— максимизацией урожая, выращиваемого потребителями вода. При этом не. учитывался" экологический ущерб, наносимый окружахшей среде потребителями в результате своей деятельности. Поскольку потребителями вода, рассматриваемыми- з данной работе, являлись сельскохозяйственные угодья (выращивающие хлопе *<), то под марой экологического ущерба мы будем понимать степень загрязнения стока, поступавшего в водохранилище с сельскохозяйственных полей, находящихся на территории водосборного бас -сейш данного водохранилища.

• Вообще говоря, имеются множество важных параметров качества

вода, включающие, например, различные соединения азота я фосфорав растворенный кислород, многочисленные органические и ко органические химические вещества, токсины, патогенные бактерии к вирусы, пестышгк и гербицида, отлолшния и т.д. Все эти загрязнители мокко моделировать, хотя многие из них не моделировались до послед -него времени из-за недостатка технических данных и исходной яй -" формации.

В настоящей работе приводится пример орошаемых территорий Оронтского района Сирии, на которых выращивается хлопчатник. Мно-. гае годы на втих территориях для повышения уронайность испсльэо -вались пзотосодержащне удобре!шя. Поэтому в данной главе кн оста« навились на рассмотрении одного из ваквейшх показателей качества вода - растворенном минеральном азоте. .. .,

Вынос азота водным стоком рассчитывался отдельно дая цвета почвы и азота удобрений, -".■".'■■.' •. .

Вынос азота почвы представляет фоновый, вкноо азота, a веет' удобрений - антропогенпу» нагрузку. . ' : •'

Фоновый вынос состоит из трех компонентов*.

1) вынос" водным стоком J ' , *

2) вмвсс фяльтрущимися водами;' •'• -; •<•*-:Ч

3) потребление растениями ' :

Антропогенная нагрузка состоит да четырех компонентов: :

1) вынос водным стоком; ' ■

2) ечнос фяльтрутхцимися вогхш;

3) потребление растениями; . ' .

4) газообразные потери. ; ~ ' V'

Вынос азота с водным сроком рас татчвался по формула:

где Nn - шнераллзугщийся обот почвц, кг/га; тсавдша '

пахотного слоя; П - пористость почвы; KU — ьойффицаейт пера-хода минерального азота из твердой фазы в мешоровоё пространство (растворимость), plow * поверхностный и зиугриггочвэнний сток»

Вынос водным стоком азоте удобрений: •.

Обший вынос водным стоком растворенного минерального азота одного водопотрзбителя за текущую декаду равен:

к

где

доля площади сальхоэтерриторий, на которой вносилось удобрение; - вынос минерального азота, который рассчитывается параллельно, различаясь сроками внесения удобрений; к -сроки (декада) внесения удобрений.

Основные результаты исследования, описание которых дриведе-но в пятой главе, получены при создании системы совместного ис -пользования поверхностншс и подземных вод.

Экономическая эффективность результатов исследования опре -деляется пренде всего повышением качества принятия решений на «этапе создания отой системы. Это такяе позволяет определить обеспеченность потребителей требуемым количество!! воды о целью полу -чеиия максимального урожая,, не истощая при этом запасов воды.

На основе предлагаемых математических моделей разработан и реализован на ЭВМ программный комплекс, который состоит из трех независимых программ: имитационная система, оптимизирунцая программе, программа расчета качества.

Каждая из прогреми работает независимо: от других программ, а взаимодействие между шили (если это необходимо) осуществляется через файл. При этом возможны следующие варианты работы с прог т раммным комплексом: • I вариант

ИС

Работает только имитационная система. Ока рассчитывает из -ненение объемов водохранилища и скважин, влияние изменения объема водохранилища на пьезометрический напор скважин в течение года;- Имеется возможность "вручную" задавать распределение водозаборов г,о потребителям и смотреть, как разные варианты распреде -лени г повлияет на урожай, собираемый за вегетационный период с орошаемой территории.

П вариант.

Имитационная система + оптимизация,

В этом варианте на вход опти&мирукцей программы поступает произвольное начальное распределение (оросительные норлы для каждого потребителя для кандсй декады). В ходе оптимизации кми-тационная система используется на каждой итерации для проверки ограничений. Результаты оптимизации (оптимальные оросительные яорда) записывается в файл оптимального распределения. Этот файл поступает та вход имитационной системы, и далее так яе, как и в I варианте, происходит расчет объемов и'урожая.

Объектом исследования был выбран Орснтский район, находя -щийся в аркдяой зоне в Сирии. Дм исследования'била вачты одно всдахрашшще, пять скваяян я несколько различных сольскохозяй -ствешшх территорий. Бшти рассмотрены четыре сельскохозяйствен -ншс угодья, на которых выращивается монокультура -хлопчатник.

Сначала было установлено, как изменяется объем сквакия в "естественных" условиях, то есть когда.нет орошения. Для этого . на вход имитацаолкой системы был гадай.файл нулевого распределения. ' ; ' Затем были посчитан урожай в заданы ка входе заявки (т.е. ■ то оросительные норш, которые установили сами водопотребители)..

Чтобы найти оптимальноз распре^ левяе, применялась "Прог -рамма оптимизации". На вход этой програшы задавался файл куг^-вого распределения оросительных норм по декадам и. по потребителям в качестве начального приближения. Ка рис. I представлен результат оптимизация. V . ,. ~

При сравнении значений реальных оросительных норм,' «рюш -тех вододотребителяш в рассматриваемом районе и оросительных норм, полученных в результате оптимизации, оказывается, что реальные норш сильно завышены. Так, их значения изменяются в пределах 0,2-1,2 тыс.м3/га/декаду, оптимальные же оросительные нормы должны лежать в пределах 0,09-0,61. тыс.м3/га/декаду. В среднем, прямекаеше оросительшв норш завышены примерно в два раза

Урояап

rîPM PACiii'i'jîS/ïeïâta« fl - 1391060.Qt и ПРИ ¥> - 1091ÍÍV07. u

О. О.

О.

п. о. о. о. о. о. о. о.

О Л!.

йОЗ íkj3 j'.ïyl

•12а

353

zav.

ЗЯ1 ' а2л

ОвП

со а

Колнче-^гго — '"(У-*

/

i

'Л

?яеД» рйспре

1Ü ' 12 Е.ПЕЛЕННЕ

-i---tr

.14 ' ÏG ' 10 ' 23 ' '• 34 ' 2É ' яекййы ОРОСЧТЕПЫГ.<Х йот КО ДЕКЯДГЛ, tue .иЗ/га/дек

Из результатов расчетов мскно установить, что сникеше объемов поливов в два рзза приведет к увеличению урожая на 18 %, и одновременно, к экономик водных ресурсов. . . •

Что касается расчета качества вода, то соответствующая программа может работать как самостоятельно (если ей на вход задать соответствующие начальные значения), так и в составе комплекса програ'ял "Имитационная система - Елок оптимизации -Расчет качества". В последнем сл;-чае па вход программы расчета качества поступает файлы, являкщиеся результатом работы первых двух программ. Основной блок программы состоит из двух вложен- , пых циклов (по декадам и по водопотребителяи) * в которой вызываются следующие процедуры: сток, трансформация азота почвы, " трансформация азота удобрений, суммарный вынос. После завершения вновнего цикла (по декадам) результаты записывается в" зн -ходной файл в виде таблицы выносов по декадам и потребителя?- • (см., например, табл. I, 2).

Программа расчета качества стока была ацребйрована на примере того ае Оронтского района, ал'котором опробовалас- Емвта -ционная систет и блок оптимизации. Ка вход програлг.ы расчета ■. качества подавались два различных варианта водораспредедеши: ■ ' 1-й вариант - распределекке в соответствии с. реальными заявками, на воду, принятыми в настоящее время в'Оронтсксм районе, и 2-й;. вариант - оптимальное водораспределенпе „ полученное а результате работы программы оптимизации. Сравнивая 'полученные результаты, мы сделали выьод, что если осуществлять пешш в ссютветст -вее с оптимальными оросительными ношами, - полученными блоком : оптимизации, а не в соответствии с действувдами норками, то моено уменьшать вынос азота с водкш сюком в водохранилище в ' * среднем в 1,5-1,8 раза, что весьма существенно как для улучше -ния качества вода в водохранилище, тазе к дая охраны природа в целом. '' " .

Т9

„ . . Табл. I

ВЫНОС Л30ТД УДОБРЕНИЯ С ПОВЕРХНОСТИ'И 'ПЧЙЕШШИ стоком

с кг >

1 970-0 575.0 489-0 776.0

2 935 0 асо.о ГГУЗ-О £00.0

3 615-0 815.О 477-0 420.0

4 745-0 995.0 384 -0 540.0

5 ' 960.0 573.О 375-0 692.0

6 045.0 820.0 459-0 464.0

7 6-10-0 795.0 £94-0 54В.0

В 685-0 095.0 ¿.06.0 4В4.0

9 670.0 865-0 492-0 752.0

10 7080-0 . 7880.0 4039-0 5920.0

11. 7310-0 7930.0. 4086-0 5388.0

12 • 12560.0 0535.0 4494-0 6092.0

13 15070-0 37165.0 В301-0 . 40900.0

14 20240.0 33060.0 8577-0 42064.0

15 15570-0 39130.0 0931.0 4262В-0

16 232*5.0 17243-0 13056.0 18928.0

17 236ЕО.О 17380-0 13125-0 19036.0

1В 23553-0 ' 17510-0 13164.0 10932-0

19 34865.0 - 23185.0 19590.0 25084-0

20 34760.0 23055.0 19416-0 24900.0

21 39095.0 27705-0 19122.0 24808.0

22 19135.0 38115.0 26967-0 41792.С

23 18610.0 37300.0 26346.0 40656.0

24 17030.0 36260-0 25390.0 39612.0

25 7405.0 30225.0 24609-0 4552.0

26 6960-0 29280.0 23736-0 4692-0

27 6800-0 27693-0 . 22719-О 4272-0

29 еоо.о 790-0 618-0 660-0

29 625.0. 705. 0 423-О 748.0

30 833.0 670-0 366.0 852.0

31 1015-0 615-0 375-0 728-0

32 1000.0 785.0 . 600-0 604.0

33 940-0 935-О 465-0 748.0

34 ' 585-0 В95.0 450.0 724-0

35 760.0 775.0 603.0 528-0

36 705.О 915.0 ' 579-0 732.,0

Суипарн^ай еынос аоот'а со всей территории за год 1543.207 т

Данные приведены распределения по действующий заявкам

Тебя.2

LI? НО С: ЛЗОТД С JiüüEV-'lCüOC'fh^-i sí í;045í,¡í;í^¡ CíwíOii

( j.v >

i '/20.0 C'TJ. ■ 0 ЗйО-О ÏÏ.Oû.Q

2 Y'vû.O ело. ■ 0 4 SU. О г*, а. о

■ras ■ 0 542. • 0 •VJ-Î.0 723-0

4 /со.о loso. ■ 0 Î47.C CC-1.0

S 9 SO-С 923. • 0 £-0£.С 5GC-0

6 •îrS.O 730. • 0 «03. С ■síí-0

7 790.0 770 • 0 П141.0 77.Z-Ü

и . tiîb.a VSS- ■ 0 4^1.0 7 3t~Ó

'i 715-0 ÍCO''' ■0 ■Í5C.C- 72-:.. о

JO 37C.3.Ö 29.'£0. ■ 0 Г'.П-О.О V.ÏSt.O

i J soso. •о 2-SCn.O

12 лоз-!, a 33&Q. • G 21U" ■■ 0 •J70Ü.0

ir V'MtS.O • 0 722-Í.0

S-5 113CO.O ÍVJ-íJ. ■ 0 r.í-G'/.C П50Я-0

S S ÎЛ220.0 ■м-л; • 0 0 ÍGiüO-O

If 17720.0 t5r.OO. .0 L. J .-i-0 SU2ZU-0

17 22030.0 15170 • 0 Ù10S-0 J7232-Ö

iE ia~i5.o S 1CC5. • 0 . ÎÏO-O-G

S 9 17713-0 J 1025 ■ с «к.о ! 7516.0

Zü 2!í'0-0 12830. ■ Cl î Í7Í;J.Ü

21 J5&00-0 1ÍEÜ0. • 0 jt-.liVC.O' • .íioca.o

22 1'1005.0 1S205 •о 1,070.0 • 5Ü01&-0

■23 itc&o-o И79Г-. • 0 OÍCS.O icsr^.o

2'i 1~?.C0.0 10090 ■о ■йго.о «a», o

23 ' 14370.л 3310. ■ 0 2'ÎQi .0 3712-0

2 G Î32&3.0 4933. ■ 0 7777.0 CC20.0

27 •¡Oí-O-O GO 15 ■0 15~b-C U92'J.t>

23 ÜSS. 0 нею ■ 0 0:5.0 575.0

725.0 1055 • 0 «ns. о 3-Î0.0

30 ' 905.0 Б7-5 -0 зез.о t'í-4.0

31 643.0 700 -0 SI-Î.O ■' £.£3.0

32 6E-3.0 905 • 0 CH'Í.Q 72Б. 0

33 793-0 623 -0 57 £> • С 792-0

G65-0 B20 • 0 •Jí.1.0 üO-Jr.O

55 . 005 •о 5&7.0 GOQ.C

36 &05.0 B&5 • 0 477.0 - 6^2.0

'jmtarv&AH сшюсз ьаста со с< гвй т^рр^.-гецпш э ч год

jn,-v*ru¿iJ для опткпальисго распределения

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе "на основе моделей водохранилища, скважин, взаимодействия между водохранилищем и скважинами, процесса роста урожая, трансформации азота почвы и удобрений на основе модифицированного алгоритма случайного пояска экстремума функции многих переменных был создан программный комплекс, состоящий из трех основных частей (блоков): имитационная система, оптимизационный блок, программа расчета качеотва. С помощью данного программного комплекса мояио решать ряд задач, относящихся к трем основным направлениям: водоохранное, экономическое, природоохранное.

« Под водоохранным понимается "гидрологический подход". Зада -Бая та вход системы различную Политику водопользования, мы оцени-.ваеы изменение .объемов водохранилища, скважин, воды, доступной дал полива и остающейся дуй других целей. Так, на примере Оронт-ского района, и в ходе экспериментов с имитационной системой было установлено, что при водозаборе с учетом действующих оросительных норд, объем вода в водохранилище достигает мертвого объема, наб-ладается явный дефицит водных ресурсов. При некотором снижении оросительных норм (в 1,3-1,5 раза) водохранилище не доходило до критического состояния. Высвобсадались дополнительные водные ресурсы, которые можно использовать для орошения новых площадей или для других целей.

Под экономическим понимается подход с точки зрения увеличения урожая. Исследования на примере Оронтского района показали, что действующие' оросительные нормы, принятые водопотребителями, очень сильно завышены. Задавая ш входе имитационной системы эти нормы, бШ1 получен уроаай хлопка 545.204 тыс.т. Затем был ио -пользован блок оптимизации. В результате его работы были получены оптимальные оросительные норш, которые лежат в пределах 0,10,6 гыс.м3/га, в то время, как действующие оросительные норш лежали в пределах-0,2-1,1 тыс.м3/га. Урожай при оптимальных нормах достигает 644.481 тыс.т. Отсвда следует Еажннй вывод:, сникая оро§нтелыше норш в 1,8-2 раза, одновременно увеличивается уро-яай (на 18 %) я объем водных ресурсов (на 80-100 %).

Под природоохранным понимается подход с точки зрония экономии водных ресурсов и улучшения состояния водохранилища за счет снижения загрязнения стока с территории сельскохозяйственных по-

лей. Вначале был подсчитан вынос азота удобрений.о сельскохозяйственных полей водопотребителей с поверхностным и внутрипочвен -ным стоком. Пасса азота, поступащего в водохранилище, за год составила 1543207 кг. Затеи на вход программы расчета качества были заданы оросигельнне нормы, полученные программой оптимиза -дни. Цри этом масса вынесенного азота составила 771356 кг. Сле -довательно, при осуществлении полива в соответствия с предлагаемыми оптимальными оросительными нормами, а не в соответствии с дейстауюпиш, можно одновременно решать две важнейшие задачи охраны природа - экономию водных ресурсов и улучшение состояния водохранилища за счет снижения загрязнения поверхностного в внутрипочвенного стока. На примере рассматриваемого Оронтского', района было установлено, что пргменание найденных оросительных норм примерно в 1,8-2 раза уменьшает объем воды, расходуемый на орошоше, что высвобождает около 122.549 шш.ы9 в год. Одновре -меш;о в 1,5-1,8 раза уменьшается поступление азота минеральных удобрений в водохранилище о поверхностным и внутрдаочвенным стоком, что существенно положительно глияет на состояние качества , водных ресурсов данного района.

Всего по теме диссертации опубликовано две работы:

1. Кхалуф С. Методика разработки матемахдчеохих моделей в проблемах перераспределения водных рэсурлов. - Ростов, ун-т, Роотоь-на-Дону, 1992. - К с. - Двп. в ЗДЙИТЙ 25.11.92 г.

й 3355-В92. .

2. Кхалуф С. Имитационная система совместного использования поверхностных и подземных ¿од к прс.ноза уро&ая. - Ростов.ун-т, Ростов-ва-Дону, 1992. - Юс. - Деп. в ВИШИ 25,11.92 г,

» 3356-В92,

. ¿пл.ргх. ¿ак. ¡м.Тглра.