Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Принятие решений в задачах управления и проектирования орошения на основе ресурсосберегающих технологий

ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Принятие решений в задачах управления и проектирования орошения на основе ресурсосберегающих технологий"

Українська академія аграрних наук Vі ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

«А ^

'^пихальська Тетяна Олександрівна

УДК 631.674: 631.62

ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛІННЯ ТА ПРОЕКТУВАННЯ ЗРОШЕННЯ НА ОСНОВІ РЕСУРСОЗБЕРІГАЮЧИХ ТЕХНОЛОГІЙ

06,01.02 - Сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Кіт - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: доктор технічних наук, старший науковий

співробітник КОВАЛЬЧУК Павло Іванович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН, головний науковий співробітник відділу водозабезпечення зрошення.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент, КИР'ЯНОВ Віктор Миколайович, Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри водогосподарського будівництва;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник ЯЦИК Микола Васильович,

Український науково-дослідний інститут водно-екологічних проблем, директор.

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН,м.Киів,вул.Желябова,8/4.

Захист відбудеться червня 2000р. о 14 годині на засіданні

Спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м.Київ-22, вул.Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН.

Автореферат розісланий “_____’’травня 2000р.

Вчений секретар Спеціалізованої

вченої ради, кандидат техн. наук с-.с< ■-? Т.І.Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розвиток зрошувальних меліорацій в нових економічних умовах, що характеризуються переходом на ринкові відносини, необхідністю раціонального використання водних, земельних і матеріальних ресурсів, вимагає впровадження ресурсозберігаючих режимів зрошення сільськогосподарських культур, які створюють умови для ефективного ведення зрошуваного землеробства.

Постановою Кабінету Міністрів України від 14 липня 1993 р. № 537 "Про розвиток меліорації і покращення екологічного стану меліорованих земель в 1994-2000 роках" передбачено "розробити і здійснити заходи, зв'язані з введенням водозберігаючих режимів зрошення і вдосконалення технологій поливу сільськогосподарських культур". Концепція водного господарства України (схвалена Постановою Верховної Ради України від 14 січня 2000 року № 1390 -XIV) також передбачає “головними стратегічними напрямками меліорації земель...застосування прогресивних водозберігаючих технологій і режимів зрошення”.

Таким чином, в зв’язку з необхідністю впровадження водозберігаючих технологій, актуальним є комплексне обгрунтування параметрів ресурсозберігаючих режимів зрошення на основі методів системного імітаційного моделювання, вдосконалення алгоритмів планування поливів, оптимізація параметрів зрошувальних систем (гідромодуля і зрошувальної норми) в умовах дефіциту водних і енергетичних ресурсів.

Зв’язок роботи з науковими темами. Дисертаційна робота виконувалась в межах науково-технічних програм УААН “Продовольство-95” (тема 3.501.01 “Розробити досконалі системи зрошуваного землеробства на основі використання ЕОМ, що забезпечать розширене відтворення грунтів, одержання біологічно чистого, високого врожаю та охорону навколишнього середовища”, 1991-1995 p.p., № держреєстрації

UA01007752P) і програми “Ресурсозберігаюче водокористування в АПК” (тема 04.01.01 “Розробити водозберігаючі грунтозахисні екологічно безпечні режими зрошення сільськогосподарських культур для різних грунтово-кліматичних умов зони зрошення”, 1998р., № держреєстрації 0196И02Г792).

Мета досліджень - розробити наукові основи та практичні методи вибору оптимальних параметрів і технологій зрошення, що забезпечують ресурсозберігаюче, економічно доцільне та екологічно безпечне ведення зрошуваного землеробства.

Задачі дослідження:

- проаналізувати еколого-економічний стан зрошуваного землеробства, визначити передумови застосування ресурсозберігаючих технологій, шляхи їх вдосконалення;

- розробити системну модель оцінки ефективності технологій управління поливами на сівозміні;

- обгрунтувати прийняття рішень на основі комбінованого принципу управління в умовах дефіциту ресурсів;

- систематизувати та обгрунтувати параметри, оптимізувати алгоритм планування ресурсозберігаючих режимів зрошення;

- розробити методики розрахунку і оптимізації параметрів зрошувальних систем (гідромодуля та зрошувальних норм) при застосуванні ресурсозберігаючих режимів зрошення.

Наукова новизна одержаних результатів:

- отримав подальший розвиток імітаційно-оптимізаційний метод системного., аналізу в задачах управління поливіами і визначення параметрів зрошувальних систем при застосуванні ресурсозберігаючих режимів зрошення;

- дано обгрунтування прийняття рішень на принципах комбінованого управління при плануванні подивів на сівозміні;

- дана методика вибору ефективних технологій по системі еколого-економічних критеріїв, оптимізація алгоритма, формалізація розрахункових формул ресурсозберігаючих режимів зрошення;

* розроблено методики розрахунку та оптимізації параметрів зрошувальних систем (зрошувальної норми та гідромодуля) при застосуванні водозберігаючих режимів зрошення.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування науково обгрунтованих алгоритмів управління поливами на сівозміні і окремих полях забезпечує значне (біля 30-50%) водо- і енергозбереження, екологічну безпеку ведення зрошуваного землеробства. Методики оптамізації гідромодуля і розрахунку зрошувальних норм дають можливість визначати параметри зрошувальних систем в умовах ресурсозбереження.

Результати роботи включені в "Тимчасові методичні рекомендації з режимів зрошення та управління поливами на зрошувальних землях України в 1993 р", що схвалені Міністерством сільського господарства і продовольства України, Державним комітетом водного господарства України, Українською академією аграрних наук та в "Тимчасові методичні рекомендації з режимів зрошення та управління поливами на зрошувальних землях України в 1995р" погоджені Міністерством

з

сільського господарства і продовольства України, Державним комітетом водного господарства України.

Дослідження ввійшли складовою частиною в проект “Методичних рекомендацій з водозберігаючих режимів зрошення та оперативного планування поливів сільськогосподарських культур в зоні степу України”, які пройшли дослідно-виробничу перевірку в Чаплинському УЗС Херсонської області в 1999 році на площі 1500 га і дозволять здійснити впровадження водозберігаючих режимів в практику зрошуваного землеробства.

Особистий внесок здобувана. Дисертаційна робота виконана особисто Михальською Т.О. Систематизовано параметри, формалізовано розрахункові формули для реалізації ресурсозберігаючих режимів зрошення. На основі імітаційних розрахунків різних технологій управління зрошенням здійснено обгрунтування алгоритмів планування поливів на сівозміні, параметрів та режимів зрошення, методики оптимізації гідромодуля та розрахунку економічно доцільних зрошувальних норм; запропоновано критерій приросту продуктивності зрошувальної води.

Апробація роботи. Основні результати досліджень доповідались на: міжнародній науковій конференціГ'Оросительньїе мелиорации - их развитие, эффективность и проблемы", секция 3 - "Эксплуатация оросительных систем" (Херсон, 1993 р); міжнародному науковому семінарі ’’Сучасні проблеми охорони та відтворення грунтової родючості" (Екологія, економіка, право. Одеса, 1994р.), науково -практичній конференції "Экологические проблемы при водных мелиорациях" ( Київ, 1996р.); науковій конференції "Проблеми гідромеліорації в Україні" (Дніпропетровськ, 1996р.).

Публікація результатів досліджень. Основні положення та висновки досліджень по темі дисертаційної роботи представлені в дев’яти наукових працях, з них три опубліковані в фахових наукових збірниках, чотири - в матеріалах науково-практичних конференцій, двох методичних рекомендаціях.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використано»' літератури з 138 найменувань, п’яти додатків. Містить 165 сторінки загального тексту, 149 сторінок основного тексту, що включає 32 таблиці, 17 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі представлено аналіз функціонування в Україні зрошуваного землеробства, визначені основні еколого-економічні проблеми його розвитку та шляхи їх розв’язання.

Зокрема, зрошуване землеробство стало основним способом інтенсифікації сільськогосподарського виробництва та покращення соціально-економічної ситуації. Проте недоліки у впровадженні водних меліорацій приводять до нераціонального, економічно неефективного використання водних і енергетичних ресурсів, негативного впливу на грунти (підвищення рівня грунтових вод, заболочення, осолонцювання, ерозії грунту) та ін.

В цьому зв'язку велике теоретичне та практичне значення має прийняття рішень в задачах управління та проектування зрошення на основі впровадження економічно ефективних та екологічно безпечних ресурсозберігаючих режимів.

На основі експериментальних даних Інституту зрошуваного землеробства, узагальнення світового досвіду та теоретичних досліджень визначені передумови використання ресурсозберігаючих технологій, систематизовані принципи та методи їх застосування: диференціація передполивних порогів вологості грунту з урахуванням чутливості культур до вологозабезпеченості по фазах або періодах розвитку, зменшення розрахункового шару грунту, скорочення поливних норм, мобілізація біологічного потенціалу рослин; регулювання фітоклімату посівів та ін.

Використання сукупності цих способів дозволяє оптимізувати поливний режим сільськогосподарських культур, суттєво економить воду, зменшує ії витрати на одиницю додаткового врожаю та ін.

Водозберігаюча система зрошуваного землеробства, що базується на використанні цих принципів, повинна забезпечувати оптимальну організацію поливів без суттєвого зниження врожаїв та прибутку.

Для впровадження в практику управління поливами ресурсозберігаючих режимів зрошення визначено такі основні шляхи вдосконалення систем прийняття рішень: оптимізація алгоритму оперативного планування поливів на сівозміні; систематизація параметрів, формалізація розрахункових формул ресурсозберігаючих режимів зрошення; прийняття рішень на принципах комбінованого управління; оптимізація параметрів зрошувальних систем.

У другому розділі з позицій системного моделювання розглядається методологія прийняття оптимальних рішень при плануванні зрошення,

яка базується на імітаційно-оптимізаційному моделюванні і дозволяє оцінювати ефективність технологій управління поливами як на окремих полях, так і на сівозміні.

При управлінні поливами на сівозміні сукупність полів розглядається як складна система, в якій здійснюється розподіл водних ресурсів, виходячи з поставлених цілей та критеріїв оптимізації при обмежених водних (енергетичних) і технічних ресурсах, з врахуванням пріоритетності поливів культур, а також інших факторів.

Ціллю системної моделі являється вивчення ефективності різних режи-мів зрошення, оцінки технологій управління поливами на сівозміні, що досягається побудовою двохрівневої математичної моделі.

На першому рівні розробляється алгоритм і проводиться імітаційне моделювання управління в різні роки (сухі, середньосухі і т.д.); на другому рівні по сукупності економічних, екологічних та ресурсних критеріїв проводиться комплексна (системна) оцінка цих технологій для вибору оптимальних режимів зрошення та алгоритмів управління (рис.1). Як засіб аналізу технологій запропоновано імітаційно-оптимізаційне моделювання.

Рис. 1. Блок - схема алгоритму системного аналізу для визначення ефективності технологій управління поливами на сівозміні. Для імітації варіантів представлена математична модель динаміки об'єкту управління вологістю грунту в системі полів сівозміни, на основі методу оперативного управління поливами по дефіциту вологозапасів:

Б' =В‘+аЕ-Р-т + Л>\';

В‘=0;,+аЕ-Р-т + Д\У;

Р” = Б" + аЕ-Р-т +Д\¥;

де 0^.01, - відповідно дефіцит вологозапасів на початок та кінець розрахункового періоду, мм;

Е,Р - неконтрольовані впливи (сумарне випаровування та опади), мм; а - коефіцієнт редукції;

Д\У - підживлення або стік вологи за межі розрахункового шару, мм; ш - управляючі впливи (поливні норми), мм; п - кількість полів сівозміни.

Прийняття рішень про полив на кожному такті управління відбувається на основі мінімізації функції:

де Ь(Ц) - лінійний функціонал недоборів врожаю, к.од.;

- питома продуктивність води і- тої культури, к.од/куб.м ;

<2і(0 -1^(1)- різниця між необхідними для культури (^(0 і фактично

поданими и;(0 водними ресурсами, куб.м/га;

- площа і-того поля, га.

При нестачі водних (енергетичних) ресурсів, що можуть бути подані на сівозміну, виникають обмеження:

Система рівнянь, критерії оптимізації та обмеження дозволяють проводити імітаційні експерименти в різних погодних умовах для різних

Ції) = Ь. (<2,(0 - и,(і)№ —»тіп,и, єи,

(2)

£<2,(0 * <2(0.

(3)

і=1

Де Рі(0 ■ фактична водопотреба поливної ділянки, м3;

(2 (0 - виділений ліміт водоподачі, м 3.

При цьому враховуються також слідуючі обмеження: на одиниці площі зрошення

(4)

а також на сівозміні

П

217,3 <<2(0.

(5)

років з послідуючою оцінкою і порівнянням ефективності технологій управління поливами на сівозміні.

Для оптимізації технологій зрошення і їх техніко-економічного обгрунтування, як теоретичний підхід, застосовується статистична

модель прийняття рішень в умовах невизначеності. Для оцінки

використовуються класичні критерії прийняття рішень в умовах ризику, зокрема критерій середнього ризику Бернулі-Лапласа.

Здійснюється порівняння біологічно оптимальних та ресурсозберігаючих режимів зрошення на основі використання економічних, екологічних та ресурсних критеріїв. Порівняльна економічна ефективність різних режимів зрошення може бути оцінена на основі таких критеріїв: середньобагаторічних значень валової продукції (урожайності)

...= ^.......\^)У,іє[1;к]; (6)

N1=1

недоборів врожаю

...Wn) = ls[l-fj(WIj,..WI|)]iY,j є[1;к]; (7)

продуктивності зрошувальної води, що визначається відношенням додаткової валової продукції від зрошення до об'єму використованих для цих цілей ресурсів, тобто

г ,гу» „ь... 1 “ С[і7(\ч.....

Р»<С'¥ -----------и:----------• (8)

приросту продуктивності зрошувальної води Уьо-Ур,

Wь0-Wpc

де - залежності в відносних одиницях урожайності

відповідно прирму режимі зрошення та на богарі;

У - проектна урожайність, ц.к.од.;

С - закупівельна ціна, грн;

N - кількість років;

^ьо^рс.^ьо^р,.- відповідно урожай і зрошувальні норми при біологічно оптимальних і ресурсозберігаючих режимах зрошення.

Використовуються також інші критерії: додатковий чистий прибуток від зрошення, коефіцієнт вологозабезпеченості, відношення реальної зрошу-вальної норми до біологічно оптимальної та ін. Для оцінки екологічної безпеки зрошення використовується екологічний критерій:

Р8,(У,\У) = ттгЬо ^с, (9)

N£1 т ’

де ТС(\У)- час перебування грунту в екологічно сприятливих умовах, днів;

Т - час вегетаційного періоду даної культури, днів.

Як приклад імітаційного моделювання планування подивів на сівозміні розглянуті погодні умови трьох років (два сухих, один середньовологий) відносно умов метеостанції Владиславівка (Крим). Середньозважені значення критеріїв при біологічно оптимальному, ресурсозберігаючому зрошенні та в умовах богари (табл. 1) показують, що при незначному (1-2,4 %) зниженні врожаю застосування ресурсозберігаючих технологій дає можливість економити 16-24 % зрошувальної води (відповідно електроенергії), значно (на 13-20 %)

Таблиця 1

Середньозважені по сівозміні значення критеріїв при різних технологіях зрошення в окремі роки та в середньому за три роки

Критерії Біологічно оптимальні Ресурсозберігаючі Богара

1957 1975 1979 серед 1957 1975 1979 серед середні

Зрошувальна норма, м3 /га 4174 3643 3043 3620 3185 3057 2571 2938 0

Урожайність, ц.к.од./га 75,5 75,5 75,5 75,5 74,5 73,9 73,7 74 36,6

Приріст врожаю від зрошення, ц.к.од./га 42,9 42,9 42,9 42,9 41,9 41,3 41,1 41,4 0

Зниження від оптимальної зрошувальної норми, % 0 0 0 0 23,7 16,1 15,5 18,8 100

Зниження врожаю від оптимальних значень, % 0 0 0 0 1,3 2,1 2,4 1,9 56,8

Продуктивність зрошувальної води, к.од./куб.м 1 1,2 1,4 1,2 1,3 1,4 1,6 1,43 0

Приріст продукти-вності, к.од/куб.м 0 0 0 0 0,1 0,17 0,21 0,16 0

Екологічний критерій, дол.од. 0 0 0 0 0,38 0,21 0,25 028 0,72

збільшується продуктивність зрошувальної води, суттєво покращуються екологічні умови збереження грунтів.

В третьому розділі розглядається алгоритм прийняття оптимальних рішень при плануванні зрошення в умовах дефіциту ресурсів. Виходячи з моделі управління поливами на сівозміні, запропоновано комбінований принцип управління та алгоритм оперативного планування поливів при застосуванні ресурсозберігаючих режимів зрошення.

Принцип комбінованого управління (А.Г.Івахненко) передбачає одночасну дію двох принципів: управління по збуренню та управління по вихідній величині і є більш ефективним, ніж управління тільки по вхідній величині. Для різних моделей технологій зрошення на сівозміні на об’єкт управління діють такі збурюючі величини: вологість грунту, температура повітря, відносна вологість повітря, опади та ін. Вихідними величинами є урожайність, питома продуктивність зрошуваної води в різні фази розвитку рослин. Регулюючим впливом є поливний режим (строки та норми поливів).

Наводиться блок-схема діалогової системи прийняття рішень для визначення строків і норм поливу по дефіциту вологозапасів з застосуванням параметрів ресурсозберігаючих технологій зрошення (рис.2).

Важливою особливістю системи прийняття рішень є можливість, як в оперативному режимі, так і в кінці вегетації, провести аналіз ефективності призначення поливів, витрат води, недоборів врожаю та ін.

Імітаційне моделювання ресурсозберігаючих поливних режимів проводиться за дефіцитом вологозапасів на основі балансового рівняння:

Е>к=Оп + (о&Е - Р) - т, (11)

де Dk.Dii - кінцевий та початковий дефіцит розрахункового періоду, мм;

Е, Р, т - сумарне випаровування, кількість опадів та поливна норма, мм;

а, к - редукційні коефіцієнти.

Редукційний коефіцієнт к виражає зменшення величини сумарного випаровування в залежності від розвитку кореневої системи.

Прикладом практичної реалізації прийняття рішень по оперативному управлінню поливами є методичні рекомендації з ресурсозберігаючих режимів зрошення та оперативного планування поливів для умов Харківської, Полтавської, Кіровоградської областей. Наведені параметри ресурсозберігаючих режимів зрошення стосовно вказаної зони та конкретна методика планування поливних режимів (табл.2).

Рис.2. Блок-схема прийняття рішень по визначенню строків і норм поливу по дефіциту вологозапасів при ресурсозбереженні

Параметри ресурсозберігаючих режимів зрошення с.-г. культур для важкосуглинистих та середньосуглинистих грунтів

Культура Середні фази розвитку Середні дати Глибина розрахункового шару, м Важкий грунт Середні грунти Поливна норма, м3/га Зауваження

Воло- гість, %.НВ Дефі- цит, м3/га Воло- гість, %.НВ Дефі- цит, м3/га

Озима пшениця Початок вегетації Вихід в трубку- цвітіння Трубкування- цвітіння Цвітіння - налив зерна Молочно-воскова стиглість — — — — — — 250-300 Стимулюючий — /при потребі/

1.04-8.05 0,5 70 500 65 535 300-400

9.05-29.05 0,5 80 330 75 385 300-400

30.05-15.06 0,5 80 330 70 460 до 300 Поливи закінчити до 15.06

16.06-7.07 0,5 70 500 65 535 б\п

Люцерна другого і третього року I укіс II укіс III укіс IV укіс 10.04-20.05 0,7 80 460 70 460 500 Передпосівний

21.05-10.07 0,7 п/в >600 п/в >600 500-600 Або 2 поливи по 250-300 при відсутності щілювання

11.07-20.08 0,7 п/в >600 п/в >600 500-600

21.08-30.09 0,7 п/п >600 п/в >600 300 При гострій засусі

Кукуруд- за на зерно Сходи- 15-й лист 15-й лист-формування зерна Формування зерна-моло-чно-воскова стиглість — — — — — — 300 Передпосівний

20.05-6.07 0,5 65 500 65 535 300

6.07-15.08 0,5 80 330 75 385 300-400 1-4 поливи залежно від погодних умов

16.08-10.09 0,5 70 500 65 535 300 При потребі

Кормові буряки Сходи-початок посиленого росту Посилений ріст ботви та коренів Відмирання ботви — — ' — — — _ 300 Передпосівний Поливи закінчити за 2025 діб до збору врожаю

20.04-31.06 0,5 70 500 60 610 300

1.07-20-08 0,5 80 330 70 460 300-400

21.08-10.10 0,5 65 585 60 610 300 При гострій засусі.

Порівняння ефективності різних режимів зрошення, проведене на прикладі господарств Харківської області, показало, що застосування водозберігаючих режимів дозволяє економити 20-50% водних і енергетичних ресурсів (табл.З), підвищує продуктивність зрошувальної води для всіх культур.

Таблиця З

Зрошувальні норми сільськогосподарських культур та кількість поливів при біологічно оптимальних і ресурсозберігаючих режимах зрошення в роки різної вологозабезпеченості, куб.м/га.

Культури Гострозасушливі та сухі роки Середні роки Вологі роки

Біоло- гічно опти- мальні Ресурсозбері- гаючі РВГ>Зм1,5-Зм Біоло- гічно опти- мальні Ресурсозбері- гаючі РВГ>Зм;1,5-Зм Біоло- гічно опти- мальні Ресурсозбері- гаючі РВГ>Зм; 1,5-3

Озима 2000- 800- 600- 1200- 400- 300- 300- 300- 0-300

пшениця 2400 1200 900 1800 800 500 1200 600

5-6 2-3 2-3 3-4 1-2 1-2 1-3 1-2 0-1

Куку- 3000- 1600- 1500- 1800- 1000- 1000- 400- 0-1200 0-600

рудза на 4600 2300 2100- 2900 1700 1200 1800

зерно 6-11 4-6 4-6 4-6 3-4 3-4 1-4 0-3 0-2

Люцерна 4200- 2300- 1100 2600- 1700- 800- 1600- 400- 400-5(

другого 4700- 2600 1500 4000 2100 1000 2400 1000 1-2

року 8-11 6-7 4-5 5-8 4-6 3-4 4-6 2-3

Кормові 3600- 1900- 1200- 2400- 1600- 900- 1600- 1100- 0-400

буряки 4200 2400 1700 3000 2000 1100 2400 1200

7-11 5-6 4-5 5-6 4-5 3-4 4-5 3-4 0-2

В четвертому розділі розглядаються методики розрахунку та оптимізації параметрів зрошувальних систем (гідромодуля і зрошувальних норм) при застосуванні ресурсозберігаючих режимів.

Задача обгрунтування величини гідромодуля при різних режимах зрошення полягає в тому, щоб при заданій структурі площ (пов'язаній зі спеціалізацією сільськогосподарського виробництва) визначити економічно обгрунтовану величину гідромодуля зрошувальної системи по об'єктивних критеріях недоборів врожаю від недополиву. Нами запропонована двохрівнева процедура обгрунтування величини гідромодуля.

На першому етапі визначається максимальне значення гідромодуля Яти для даної сівозміни в умовах монокультури (найбільш вологолгобивої культури).

Величина гідромодуля в реальних сівозмінах змінюється дискретно в значних інтервалах і залежить від слідуючих факторів: кількість полів в сівозміні; кількість одночасно працюючих поливних машин; коефіцієнт використання часу доби. Тому на другому етапі визначаються ряд дискретних величин таких, що Я; <яти, для кожної з яких

визначаються недобори врожаю на сівозміні в відповідності з методикою (П.І.Ковальчук). Слід рекомендувати мінімальний гідромодуль я, що дає втрати врожаю не більш 10 %.

Для прикладу нами вибрана раціонально сформована семипільна сівозміна, для якої на першому етапі визначено гідромодуль для монокультури (люцерна), рівний 0,68 л/с.га. На другому етапі досліджувались значення я, =0,34 л/с.га, я2=0,51 л/с.га, я3=0,68 л/с.га.

Порівняння результатів імітаційного моделювання показало, що гідромодуль 0,51 л/с.га є достатнім для різних режимів зрошення, (рис.З). Збільшення гідромодуля доцільно тільки при переході до впровадження на сівозміні монокультури. Зменшення ж його значення до 0,34 л/с.га буде викликати значні втрати врожаю в сухі роки (особливо в посушливі періоди вегетації), і не може рекомендуватись для раціонально сформованої сівозміни. Як показують укомплектовані графіки поливу (рис.З), ресурсозберігаючі режими зрошення не збільшують максимальну ординату гідромодуля, а напруженість поливу на протязі вегетації значно зменшується. Задача техніко-економічного обгрунтування зрошувальної норми полягає в співставленні комплексу критеріїв, що характеризують різні варіанти режимів зрошення. Запропонована раніше (Ломтев А.А., Ковальчук П.І.) методика обгрунтування величини зрошувальної норми для років різної забезпеченості базувалась на розв’язуванні багатокритеріальної задачі оптимізації.

Нами запропонована методика, що базується на використанні критеріїв величини зрошувальної норми, продуктивності зрошувальної води та нового критерію - приросту продуктивності зрошуваної води (9). Суть даного критерію полягає в тому, що при заданому рівні врожаю визначається приріст врожаю, обумовлений приростом зрошувальної норми. При цьому, якщо приріст врожаю не скуповується приростом зрошувальної норми, то додаткова подача водних ресурсів є недоцільною.

N

з

2 1

І II III

Травень

І II НІ

Червень

І II III

Липень

І II III

Серпень

І II III

Вересень

4

з

2

1

О

N

І II III І II III І II II І II II і І

Травень Червень Липень Серпень Вересень

б

Рис.З. Укомплектовані графіки подивів для раціонально сформованої семипільної сівозміни: а- при біологічно оптимальних режимах зрошення; б-при ресурсозберігаючих режимах.

Для реалізації методики на основі побудованих залежностей "зрошувальна норма - водозабезпеченість” для різних культур (рис.4) порівнюються зрошувальні норми стосовно кліматичних умов метеостанції Нова Каховка при біологічно оптимальних та ресурсозберігаючих режимах зрошення в роки різної водозабезпеченості.

АҐІЛЛ

25 50 75 100

водозабезпеченість, %

2 6000 т—

* 5000 -ї 4000 &

“ 3000 -

г

с 2000 4! юоо -

О

« 0

Ю

25 50 75 100

водозабезпеченість, %

2 6000 а 5000

І 4000

0

5 3000

Е

1 2000 І 1000 І о

25 50 75 100

водозабезпеченість, %

В

□ біологічно оптимальні

25 50 75 100

водозабезпеченість, %

Г

□ водозберігаючі

Рис.4. Зрошувальні норми м3/га при біологічно оптимальних та водозберігаючих режимах зрошення у роки різної розрахункової водозабезпеченості (по даним метеостанції Нова Каховка): а- озима пшениця; б- кукурудза на зерно; в- люцерна 2-го року; г- кормові буряки.

Економічна оцінка ефективності використання водних ресурсів показує збільшення продуктивності зрошувальної води при водозберігаючих режимах, порівняно з продуктивністю води при біологічно оптимальних режимах (табл.4). Використання критерію прироста продуктивності зрошувальної води при переході від водозберігаючих до біологічно оптимальних технологій показує, що приріст продуктивності становить 0,1-0,7 к.од./м3, тобто зрошувальна вода практично не окуповується урожаєм. Таким чином, водозберігаючі режими є економічно доцільними.

б

Таблиця 4

Екологічні показники біологічно оптимальних та водозберігаючих зрошувальних норм (Шо, Прс-продуктивність зрошувальної води відповід-но біологічно оптимальних . та водозберігаючих режимів зрошення, к.од./куб.м Д% - відносна різниця продуктивностей, % ДП -приріст продуктивності зрошувальноі води від рівня водозберігаючих до біологічно оптимальних зрошувальних норм, к.од./куб.м)

% за-без-пече-ності Озима пшениця Кукурудза Кормові буряки Люцерна

Пбо Гїрс Д% ДП Пбо Пре Д% ДП Пбо Пре д% ДП Пбо Пре Д% ДП

95-98 0,9 1,4 62 0,38 1,3 2,8 115 0,17 1,1 1,7 55 0,24 1,3 2 54 0,6

70-79 1,1 2,1 91 0,4 1,4 3 114 0,11 1,2 2,1 75 0,34 1,3 2,3 77 0,6

49-52 1,5 2,6 83 0,6 1,5 3,8 153 0,1 1,4 2,3 57 0,44 1,6 2,4 50 0,8

18-27 1,7 2,9 71 0,7 2. 5,4 170 0,13 1,9 3,3 74 0,5 2 3,9 95 0,8

Проведена ресурсна оцінка ефективності ресурсозберігаючих, оптимальних екологічно безпечних (М.І.Ромащенко, О.І.Жовтоног) та біологічно оптимальних режимів зрошення через відповідні зрошувальні норми довела, що тільки водозберігаючі режими істотно знижують (на 20-50%) величину зрошувальної норми, а значить і ризик інфільтрації води за розрахунковий шар протягом календарного року. Тобто такі режими в достатній мірі с екологічно безпечними.

Перевірка методики розрахунку зрошувальних норм при застосуванні ресурсозберігаючих режимів показала, що розрахункові зрошувальні норми відрізняються від експериментальних значень, одержаних в 133 (В .А. Писаренко), з задовільною для практичних розрахунків точністю (коефіцієнт варіації становить 8%).

В додатках А-В наведені розрахунки імітаційного моделювання та параметри режимів зрошення. В додатку Г дана перевірка адекватності моделі експериментальним даним 133. В додатку Д приводиться акт про дослідно-виробничу перевірку методичних рекомендацій, проведену в Чаплинському УЗС Херсонської області в 1999р., з оцінкою ефективності водозберігаючих режимів зрошення.

ВИСНОВКИ

1. В результаті розгляду умов функціонування зрошуваного землеробства в Україні показана необхідність введення в практику управління поливами ресурсозберігаючих режимів зрошення на основі оптимізації

прийняття рішень, обгрунтування їх ефективного (екологічно безпечного) функціонування. Визначено шляхи вдосконалення систем прийняття рішень:

- розробка ресурсозберігаючих технологій зрошення з застосуванням економічно доцільних і екологічно безпечних параметрів в системах управління і проектування зрошення;

- впровадження принципу комбінованого управління поливами на сівозміні, що використовує прийняття рішень по значеннях вологості грунту і економічних критеріях (продуктивності та приросту продуктивності зрошувальної води).

2. Для аналізу ефективності технологій управління зрошенням, як методологія дослідження, запропоновано імітаційно-оптимізаційне моделювання. На першому рівні розглядається імітація варіантів управління при різних режимах зрошення; на другому - оцінка і прийняття рішень на основі сукупності критеріїв оптимізаційної моделі.

3. Вдосконалена системна модель планування поливів на сівозміні, що використовує комбінований принцип управління і дозволяє оптимізувати алгоритм управління поливами в умовах дефіциту ресурсів і застосування ресурсозберігаючих режимів зрошення.

4. Розроблено алгоритм прийняття рішень при оперативному плануванні поливів, що використовує в своїй основі методику дефіциту вологозапасів, систему параметрів та розрахункові формули реалізації ресурсозберігаючих режимів зрошення.

5. Запропонована методика двохрівневої оптимізації гідромодуля зрошувальних систем при застосуванні ресурсозберігаючих режимів зрошення: на першому рівні встановлюється значення гідромодуля для монокультури, на другому - розглядається техніко-економічне обгрунтування найбільш перспективних варіантів гідромодуля.

На основі побудови укомплектованих графіків гідромодуля встановлено, що ресурсозберігаючі технології зрошення, в порівнянні з біологічно оптимальними, не вимагають збільшення гідромодуля в умовах раціонально сформованої сівозміни.

6. Розроблена методика розрахунку зрошувальних норм сільськогосподарських культур на різні рівні ресурсозбереження та їх техніко-економічного обгрунтування по системі критеріїв (урожайності, продуктивності та приросту продуктивності зрошувальної води).

Перевірка адекватності моделі експериментальним даним 133 показала задовільну для практичних розрахунків точність (коефіцієнт варіації становить 8 %).

7. Наведені приклади використання алгоритму приняття рішень для реалізації ресурсозберігаючих технологій на різні рівні енерго- і водозбереження показали:

при незначному (2,4 %) зниженні урожайності водосберігаючі технології дозволяють економити 16-24 % зрошувальної води та електроенергії, збільшити продуктивність поливної води з 1,2 до 1,43 к.од./куб.м, поліпшити екологічний критерій; причому приріст продуктивності зрошувальної води між варіантами біологічно оптимальних і ресурсозберігаючих технологій становить в середньому лише 0,16 к.од./куб.м;

при більш суттєвому зниженні урожайності до 6-12 % - економія водних і енергетичних ресурсів досягає 30-50 %, що в умовах дефіциту дозволяє економити значну кількість електроенергії і зрошувальної води.

Проведені дослідження підтвердили еколого-економічну ефективність запропонованого алгоритму реалізації водозберігаючих режимів зрошення.

8. Результати наукових досліджень ввійшли в "Тимчасові методичні рекомендації по оперативному управлінню зрошенням" на 1993 і 1995 роки, які схвалені і рекомендовані для практичного впровадження.

Дослідно-виробнича перевірка вдосконаленого варіанту “Методичних рекомедацій з водозберігаючих режимів зрошення та оперативного планування поливів сільськогосподарських культур в зоні степу України”, проведена в Чаплинському УЗС Херсонської области в 1999р. на площі 1500 га, показала позитивну фактичну економічну ефективність НТР в розрахунку на один га - 36,64 грн/га, економію води - 833 куб.м/га, відповідно електроенергії. Таким чином, дослідження показують практичну доцільність водозберігаючих режимів і дозволять здійснити їх впровадження в практику зрошуваного землеробства.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ковальчук П.І., Михальська Т.О. Системне моделювання для оцінки ефективності ресурсозберігаючих технологій управління поливами. // Меліорація і водне господарство, 1994. Вип.81.-С.30-35.

2. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Ковальчук В.П. Оцінка ефективності ресурсозберігаючих режимів зрошення на основі математичного моделювання //Меліорація і водне господарство, 1998.-Вип.85.-С.29-36.

3. Ковальчук П.І.,Михальська Т.О., Ковальчук В.П.,Писаренко П.В. Еколого-економічне обгрунтування поливних та зрошувальних

норм на основі інформаційних технологій //Меліорація і водне господарство, 1999.-Вип.86.-С.21 -27.

4. Тимчасові методичні рекомендації з режимів зрошення та управління поливами на зрошуваних землях України в 1993 р // Мінсільгосппрод України, Держводгосп України, УААН, 133, ІГіМ. -Киів, 1993.-23с.

5. Тимчасові методичні рекомендації з режимів зрошення та управління поливами на зрошуваних землях України в 1995 р.-К.: УААН, 133, ІГіМ, 1995.-24с.

6. Ковальчук П.И., Михальская Т.А., Чистоклетова В.А. Системные методы оптимизации и обоснование норм водопользования в орошаемом земледелии // Материалы международной научной конференции "Оросительные мелиорации - их развитие, эффективность и проблемы". Херсон, 1993.-С.175.

7. Ковальчук П.И., Михальская Т.А. Управление поливами при орошении в условиях применения водосберегающих и почвозащитных технологий // Материалы международного научного семинара “Современные проблемы охраны и воспроизводства почвенного плодородия” Ркология, экономика, право). -Одесса, НАН Украины, СОПС, 1994.-С.196-197.

8. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Ковальчук В.П. Системне моделювання для еколого-економичного обгрунтування ресурсозберігаючих режимів зрошення // Доповіді науково-практичної конференції "Екологічні проблеми при водних меліораціях."-К.: Госводхоз України, УААН, ІГіМ, ІПК "Укрводприрода", 1996.-С.111-114.

9. Ковальчук П.І., Михальська Т.О. Еколого-економічне обгрунтування технологій зрошення на основі системного моделювання // Матеріали наукової конференції "Проблеми гідромеліорації в Україні." -Дніпропетровськ: Мінсільгосп України, ДДАУ, 1996.-С.64-65.

АНОТАЦІЯ

Михальська Т.О. Прийняття рішень в задачах управління та проектування зрошення на основі ресурсозберігаючих технологій. -Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 - сільськогосподарські меліорації (технічні науки).-Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2000р.

В дисертації дана розробка методів прийняття рішень в задачах управління та проектування зрошення, які забезпечують ресурсозберігаюче, економічно доцільне та екологічно безпечне ведення зрошуваного землеробства.

Розроблені наукові основи та практичні методи вибору оптимальних технологій та параметрів систем управління зрошенням; представлено алгоритм прийняття рішень на принципах комбінованого управління для оперативного планування поливів в умовах дефіциту водних, енергетичних ресурсів, який базується на системі еколого-економічних критеріїв і забезпечує реалізацію ресурсозберігаючих технологій. Приведені методики оптимізації гідромодуля, розрахунку та техніко-економічного обгрунтування зрошувальних норм.

Ключові слова: ресурсозберігаючі режими зрошення; алгоритм планування поливів; гідромодуль зрошувальних систем; економічно обгрунтовані зрошувальні норми; сівозміна; принцип комбінованого управління; оптимізація технологій зрошення; еколого-економічні критерії.

АННОТАЦИЯ

Михальская Т.А. Принятие решений в задачах управления и проектирования орошения на основе ресурсосберегающих технологий.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 - гидротехнические мелиорации,-Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2000.

В диссертации на основании рассмотрения функционирования орошаемого земледелия в Украине предложены пути совершенствования систем принятия решений в задачах управления и проектирования орошения. Как методология исследований для анализа технологий управления орошением, предложено имитационно-оптимизационное моделирование. На первом уровне рассматривается имитация вариантов систем управления, на втором — их оценка на основе совокупности критериев оптимизационной модели принятия решений в условиях риска.

Усовершенствована системная модель планирования поливами на севообороте при дефиците ресурсов, которая использует более эффективный принцип комбинированного управления поливами (по входной величине - влажности почвы и выходной величине -продуктивности и приросту продуктивности оросительной воды). Разработан алгоритм принятия решений при планировании поливов, который использует методику дефицита влагозапасов, систему параметров и расчетные формулы реализации водосберегающих режимов орошения. Проведенные исследования подтвердили, что при снижении урожайности 2-12% водосберегающие режимы позволяют экономить 1650% оросительной воды, существенно улучшить эколого-экономические

критерии. Приведены методики оптимизации гидромодуля, расчета и технико-экономического обоснования оросительные норм.

Опытно-производственная проверка методик показала положительную фактическую экономическую эффективность научных разработок в расчете на 1 га -36,64 грн., экономию воды - 833 м3/га, соответственно электроэнергии. Основные результаты работы вошли составной частью в методические рекомендации по водосберегающим режимам орошения и управления поливами в 1993, 1995 и 1999 годах.

Ключевые слова: ресурсосберегающие режимы орошения;

алгоритм планирования поливов; гидромодуль оросительных систем; экономически обоснованные оросительные нормы; севооборот; принцип комбинированного управления; оптимизация технологий управления; эколого-экономические критерии.

SUMMARY

Mikhalskaya Т.А. Taking of the dicisions in the tasks of management and designing in irrigation on the basis of resource-savings technologies. Manuscript.

The dissertation is for academic degree of Candidate of Technical Sciences in speciality 06.01.02 - Agricultural Reclamations (Technical Sciences). - The Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation of the UAAS, Kyiv, 2000.

The thesis deals with the elaboration of the methods of decision taking in the tasks of management and designing in irrigation providing resource-saving, economically expedient and ecologically safe irrigated agriculture.

Scientific basis and practical methods of optimal technologies choosing and parameters of management in irrigation were worked out; algorithms of decision taking based on the principles of the combined management for operative planning of waterings under the conditions of water and power resources scarcity was presented being based on the system of ecological-economic criteria and provides the realization of resource-saving technologies. The methods of hydro-module optimization, calculation and technical-economic substantiation of irrigation rates were presented.

Key words: decision taking systems, resource * saving regimes in irrigation, algorithm of watering planning, hydro-module of irrigation systems, economically substantiated irrigation rates, crop rotation, the principle of the combined management, optimization of irrigation technologies, ecological-economical criterias.