Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе

Головинов, Евгений Эдуардович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе
ВАК РФ 06.01.02, Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации по теме "Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе"

ГОЛОВИНОВ ЕВГЕНИЙ ЭДУАРДОВИЧ

УПРАВЛЕНИЕ ПОЛИВАМИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЕ

Специальность 06.01.02. - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з июн 2010

Москва-2010

004603385

Работа выполнена в отделе гидротехники и гидравлики Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВНИИГиМ Россель-хоз академии)

Защита состоится «03» июня 2010 г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костикова по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, 44, к.504.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ Россельхозакадемии

Автореферат разослан и размещен на сайте http://www.sovet.vniigim.ru «29» апреля 2010 г.

Научный руководитель:

доктор технических наук Добрачёв Юрий Павлович

доктор технических наук Губер Кирилл Вадимович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук Терпигорев Анатолий Анатольевич

ФГОУ ВПО Московский государственный университет природообустройства

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Исаева С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В последние годы возрос интерес сельхозпроизводителей к восстановлению и реконструкции оросительных систем и, соответственно, обеспечению их эффективной эксплуатации, во многом определяющей рациональное использование мелиорируемых земель Системное рассмотрение и анализ основных путей повышения эффективности использования орошаемых земель позволяет сделать вывод о необходимости создания новых и модернизации существующих систем управления орошением. Практическая реализация таких систем позволит обеспечить рациональное распределение оросительной воды по полям и культурам, назначение сроков поливов сельскохозяйственных культур в зависимости от потребности растений с учетом технических возможностей оросительной сети и др.

Системы управления орошением базируются на решении множества взаимосвязанных задач планирования и последующего водораспределения, в том числе путем согласования сроков и объемов подачи воды с работой поливной техники. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах можно разделить на два этапа: планирование поливов по агрометеопараметрам и последующая их организационно-технологическая реализация. В эффективном использовании водных, технических, энергетических и трудовых ресурсов оперативное управление играет важную роль, обеспечивая благоприятные условия для формирования урожая сельскохозяйственных культур. Разработка информационных систем оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур, направленных на эффективное использование технических средств гидромелиоративной системы, рациональное использование земельных, водных и трудовых ресурсов является актуальной задачей.

Целью исследований является разработка моделей и расчетных схем системы оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе, позволяющих оптимизировать организационно-технологические параметры выполнения поливных работ с учетом технических характеристик оросительной системы, включая насосную станцию, распределительную сеть и поливную технику.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

— проведена оценка качества функционирования существующих систем оперативного управления поливами и выявлены резервы повышения эффективго-сти эксплуатации оросительных систем и поливной техники;

— выполнен анализ существующих подходов к решению вопросов, связанных с формированием графика проведения поливных работ на закрытой оросительной системе, в том числе с использованием разработанных ранее информационных систем оперативного управления орошением;

— разработана гидравлическая модель оросительной сети с произвольно подключенной комбинацией поливной техники, проведены сценарные исследования работы системы и выполнена экспериментальная проверка их результатов на реальном объекте управления;

— сформулирована и решена оптимизационная задача формирования графика работы поливной техники, обеспечивающего реализацию заданного режима орошения сельскохозяйственных культур с учетом гидромодуля оросительной системы, параметров насосной станции, распределительной сети, дождевальных машин и наличия трудовых ресурсов;

— разработаны модели, схемы и алгоритмы для автоматизированного формирования графика полива и расчета технологических параметров работы дождевальных машин при реализации оперативного плана полива сельскохозяйственных культур на оросительных системах закрытого типа;

— создан инструментарий системы управления производством поливов, позволяющей в оперативном режиме формировать сценарий функционирования оросительной сети на заданный период поливного цикла (7-14 суток).

Объектом исследования являются крупные внутрихозяйственные закрытые оросительные системы (ОС), их структурные и гидравлические характеристики, поливная техника, организационно-технологические аспекты производства поливных работ. Предметом исследования является оперативная деятельность службы эксплуатации оросительной системы по назначению и производству поливов сельскохозяйственных культур, а также функционирование оросительной сети в поливной сезон.

ВНИИГиМ. В работе использовано современное математическое и программное обеспечение для разработки численных моделей, решения статистических и оптимизационных задач, обработки картографической информации.

Личный вклад соискателя состоит в разработке имитационной гидравлической модели работы оросительной сети, теоретическом и методическом обосновании алгоритма расчета гидравлических характеристик насосной станции и водораспределительной сети при произвольной комбинации включенной поливной техники, проведении полевых исследований, а также выполнении сценарных численных экспериментов по расчету оптимальных графиков полива сельскохозяйственных культур для сети с пассивными и активными элементами регулирования давления на гидрантах и участках распределительной сети. Выполнен анализ и обобщение результатов исследований, которые представлены в форме информационной технологии поддержки принятия решений при оперативном управлении поливами.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

— разработана имитационная гидравлическая модель оросительной сети и создан эффективный алгоритм определения рабочих точек насосной станции и распределительной сети при любой произвольной комбинации одновременно включенных дождевальных машин;

— доказана возможность формирования оптимального графика проведения поливов в оперативном режиме на протяжении всего поливного сезона в режиме реального времени и получены оптимальные параметры управления процессом орошения;

— предложена целевая функция оптимизации, основанная на технико-экономических показателях, включающих показатель качества исполнения планового режима орошения, планируемую урожайность и стоимость выращиваемой продукции, отзывчивость культур на орошение, площадь орошаемого контура, производительность поливной техники и фактор времени;

— впервые поставлена и решена оптимизационная задача по формированию сетевого графика производства поливных работ при оперативном управлении орошением. В решении используется разработанная автором гидравлическая модель оросительной сети для расчета режима работы насосной станции и поливной техники.

Основные положения, выносимые на защиту:

— алгоритм и программная реализация блиц-расчета гидравлических характеристик закрытой распределительной сети, основанные на операциях с функциями, описывающими напорно-расходные характеристики элементов сети, включая поливную технику;

— имитационная гидравлическая модель закрытой оросительной сети для расчета характеристик режима работы насосной станции и поливной техники;

— алгоритм расчета оперативного графика производства поливов и технологических параметров работы дождевальной техники, основанный на решении оптимизационной задачи;

— информационная технология поддержки принятия решений по формированию в оперативном режиме эффективного графика проведения поливов дождевальными машинами на внутрихозяйственной оросительной системе закрытого типа.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что разработанные модели, расчетные схемы и алгоритмы позволяют повысить качество управленческой деятельности службы эксплуатации внутрихозяйственной оросительной системы и, тем самым, повысить эффективность использования земельных, водных, энергетических и трудовых ресурсов, обеспечить снижение антропогенной нагрузки на орошаемые земли агроландшафта за счет применения в хозяйствах предложенных методов комплектации графика полива. Разработанная гидравлическая модель оросительной сети может использоваться при проектировании гидромелиоративных систем и подборе оборудования насосной станции. Результаты исследований использовались при расчете технологических параметров производства поливов дождевальными машинами «Волжанка», «Фрегат», ДКН на Заволжской оросительной системе (Николаевский р-н, Волгоградская обл.).

Апробация результатов исследований проведена на научно-практических конференциях национального и международного уровня: на Международной (5-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, 2008); Международной научно-практической конференции «Защитное лесоразведение, мелиорация земель и проблемы земледелия в Российской Федерации» (Волгоград, 2008); 2-ой Международной (6-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации (Коломна,

2009); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства» (Москва, 2009).

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ общим объемом 2,6 п.л., в том числе 2 публикации в журналах по Перечню ВАК РФ. Получен патент на полезную модель № 79373 «Дождевальная машина».

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений; изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 20 рисунками, содержит 11 таблиц, список литературы включает 82 наименования, в том числе 14 зарубежных.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, определены главные цели и задачи, показана научная новизна и практическая значимость исследований.

В первой главе приведен анализ существующих отечественных и зарубежных информационных систем управления орошением, дается структурный и функционально-информационный обзор основных этапов и процессов, включенных в системы управления.

Роль и место оперативного управления орошением и его значимость в эффективности использования гидромелиоративных систем и производстве растениеводческой продукции на орошаемых землях отражены в трудах многих отечественных и зарубежных ученых и специалистов (Б.Б.Шумаков, И.П.Кружилин, А.И.Голованов, В.В.Бородычев, В.И.Ольгаренко, К.В.Губер, Б.ВЫгис!,

С.1асисс1, Р.КаЬа! и др.). Необходимо отметить исследования в области создания информационных систем управления в мелиорации, авторы которых обеспечили не только программную реализацию этих систем, но и их использование в практике (Е.П.Галямин, В.П.Остапчик, В.В.Шабанов, Ю.П.Добрачёв, Г.В.Ольгаренко, И.Ф.Юрченко).

В главе рассмотрены различные концептуальные подходы к разработке информационных систем управления поливами в зависимости от вида оросительной системы, поливной техники и технологии проведения поливов. Дана формулировка рабочей научной гипотезы планируемых исследований и разработок, на основе которой поставлена оптимизационная задача управления производством поливов.

Показано, что при оперативном управлении орошением на крупных внутрихозяйственных закрытых оросительных системах в оптимизационных задачах необходимо учитывать технические характеристики оросительной сети, которые ш-кладывают ограничения на поливной режим сельскохозяйственных культур. Предложен подход, при котором оперативное управление орошением строится на решении двух оптимизационных задач: оперативное планирование орошения (сроки и нормы полива) по агрометеопараметрам на основе эколого-экономических критериев, учитывающих только основные технические характеристики (гидромодуль системы, максимальные и минимальные поливные нормы), а также обеспеченность водными ресурсами; оперативное управление техническими средствами (режим работы насосной станции, график включения/выключения и режим работы поливной техники), учитывающее характеристики оросительной сети и наиболее важные с позиции хозяйственных решений характеристики полей орошаемого севооборота (площадь поля, планируемую урожайность, стоимость единицы продукции). Целевая функция оптимизационной задачи управления производством поливов связана с валовой величиной планируемого урожая в стоимостном выражении.

Формализованное описание закрытой оросительной системы (ЗОС), включает насосную станцию, распределительную сеть трубопроводов, множество шлей J с площадью каждого поля Sj, занятого сельскохозяйственной культурой (к), п - порядковый номер машины на внутрихозяйственной оросительной сети. Задача оге-ративного управления производством поливов в качестве исходной плановой информации включает результаты расчетов оперативных режимов орошения каждого поля. В этих расчетах, как правило, принимается допущение, что полив прош-водится в течение суток, а гидромодуль ОС, наличие рабочей силы и др. не лимитируют производство поливов.

В производственных условиях орошение всего поля занимает несколько суток, а с учетом комплектации графика гидромодуля возможны и более существенные смещения. Для учета влияния смещения сроков поливов на возможные потери урожая сельхозпродукции предложено использовать показатель качества плана производства поливных работ:

Uj=YjrZk-Sj(t)Y-t\, (1)

где щ - показатель возможных потерь (ущерба) урожая от смещения сроков полива площади s(t) у-то го поля на время \t* —t\; Y.k - планируемая урожайность к-

той культуры на у-том поле, т/га\ 7.к - стоимость единицы продукции (руб./т) к-той культуры, /* - плановый день полива, суш., / -день полива площади sj.

Запишем оптимизационную задачу формирования сетевого графика производства поливов для орошаемых полей У на период поливного цикла:

J '*

U - ^к 'sj(0'К* ~'m'n " минимизация потерь. (2)

j=' <„

<г j

SJ = Yjsj (О > Z(t) - Qoc - ограничение по гидромодулю; (3)

>=i

J]b(nr,t) < B(t) - ограничение на наличие операторов дождевальных машин;

и=1

[t"a\ tj"} <Z [tjpm4, /"'7"'0"] для всех j eJ - ограничение на производство поливов по агротехнологическим и др. причинам в промежуток времени [ /t];

где U - относительный технико-экономический показатель потерь; к„ - раз-мерностный коэффициент пропорциональности, I/(руб.cym.) S, - площадь орошаемого у'-го поля, га; sjt) - площадь участкау'-го поля (га), орошаемого за одни сутки t; q/t) - водоподача на орошение у'-го поля (м3/с) в течение суток t; Qoc - максимальный расход оросительной сети, м3/с; b(nr, 0 - норма обслуживания работающей в сутки t дождевальной машиной (ДМ) пг, чел./cym.; B(t) - число операторов дождевальной техники на момент времени t, чел.; t""\ tK°" - номера суток начала и конца полива нау'-том поле; tjp""4, tJpK0" - номера суток начала и конца запрета на

проведение полива на у'-том поле; J - множество полей; /„, tK - дата начала и окончания поливного цикла соответственно, сут.

Площадь участкау'-го поля, орошаемого в течение одних суток, определяется суммой площадей, политых ДМ за этот период

.(0=Ъ"Ат)> р.№> (4)

где s" (m'j, рп (0) - функция производительности работающей ДМ номера п за сутки t от поливной нормы /я* (м3/га) и давления (м) на машине p„(t), г а'су т.; мономера всех работающих ДМ нау'-том поле в течение суток t.

Система оперативного управления поливами на основе решения оптимизационной задачи должна определять (в соответствии с оперативным расчетным режимом

орошения) сроки начала и окончания полива для каждой единицы поливной техники, технологические параметры ее работы (давление, расход, время работы на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, нормы обслуживания) по суткам с момента включения с учетом продолжительности рабочего дня, изменения комбинации одновременно работающих машин.

Корректное решение поставленной задачи невозможно без использования модели, описывающей давление на гидрантах при изменении комбинации одновременно работающих ДМ, что позволяет рассчитать производительность и нормы обслуживания этих машин. Кроме того, при комплектации графика полива и определении технологических параметров работы ДМ необходимы данные по гидравлическому режиму работы всей внутрихозяйственной оросительной сети на протяжении всего поливного цикла. Показано, что дня решения оптимизационной задачи требуется создать служебные модели и расчетные схемы, обеспечивающие необходимое описание структурно-функциональных аспектов работающей оросительной системы.

Во второй главе приводится характеристика объектов исследований, методика моделирования, описание методических и технических средств экспериментальных исследований, а также представлено используемое программное обеспечение. В качестве объектов исследования были выбраны: Городищенская оросительная система (ФГУ «Управление «Волгоградмелиоводхоз», Волгоградская область) и Лузинская оросительная система (АО «ОМСКИЙ БЕКОН», Омская область).

Городищенская ОС площадью 20 500 га расположена на правом берегу реки Волги и занимает Восточную часть Волго-Донского междуречья с водозабором из Волгоградского водохранилища. Орошение сельскохозяйственных культур проводится дождевальными машинами «ДКШ-64», «Фрегат», «Кубань», «Днепр», ДДА-100М, ДЦА-70, а также по полосам с применением гибких шлангов. Измерение давления в сети и на гидрантах проводились тарированными манометрами; расход воды и равномерность распределения дождя измерялись с помощью осадкомеров по общепринятой методике. При анализе работы Городищенской ОС были выявлены и сформулированы основные проблемы, связанные с эксплуатацией крупных закрытых оросительных систем.

Представлены натурные и проектные данные по 2-му отделению Лузинской ОС (~ 650 га орошаемых земель), необходимые для проверки адекватности функционирования разработанной гидравлической модели для сравнительно сложной по конфигурации оросительной сети.

Для разработки расчетных схем и моделей использовались методы имитацюн-ного моделирования и оптимизации, реализуемые в программной оболочке «МаНаЬ».

Результаты сценарных исследований и исходные данные обрабатывались с помощью статистических методов, входящих в стандартное математическое обеспечение «Excel» и «Matlab». База данных и структура оросительной сети, включающая геометрические и геодезические характеристики, сформированы средствами программного обеспечения ГИС (ArcGIS 9.2) с использованием картографических материалов и результатов аэрокосмической съемки.

В третьей главе рассматриваются теоретические и методические аспекты разработки гидравлической модели оросительной сети, удовлетворяющей требэваниям постановки и решения оптимизационной задачи (1) с необходимой точностью и скоростью выполнения вычислений. Исходными данными для модели служат схема закрытой оросительной сети; паспорта трубопроводов, запорной, регулирующей и предохранительной арматуры, включая их гидравлические характеристики; геодезические отметки узлов сети; напорно-расходные характеристики ДМ и насосов. Эти необходимые для модели характеристики сети были объединены в тематические слои в системе ГИС на базе АгсМар 9.3 (рис. 1 и 2) с их привязкой к соответствующей базе данных, включающей описание параметров элементов сети.

Рис.1. Фрагмент схемы Лузинской ОС, выполненный в «АгсМар 9.3»

IНС| Насосная станция

- - Трубопровод

- фрегат @ • Волжанка

В -дкн

Рис. 2. Схема участка закрытой оросительной сети с привязкой ДМ к трубопроводам

Например, для слоя «трубопровод» база данных включает такие параметры как длина, диаметр, шероховатость, а также содержит привязку к географическим и геодезическим координатам.

В расчетах гидравлических потерь по длине трубопроводов используется формула Вейсбаха-Дарси для турбулентного установившегося равномерного движения жидкости. Зависимость потерь давления Л/ по длине для круглых труб имеет вид: / V2 £> 2-я

где I - длина трубопровода, м\ V — средняя скорость, м/с; О - диаметр трубопровода, см; X - безразмерный коэффициент гидравлического трения; g - ускорение свободного падения, м/с.

Для труб с разнозернистой шероховатостью коэффициент гидравлического трения определяется из формулы Кольбрука:

4Х л/Т 3,7

(6)

где Аг, Д - относительная и эквивалентная шероховатость (высота выступов шероховатости) соответственно, мм, Аг = ; - число Рейнольдса, выраженное через диаметр трубопровода, Яе „ = ; V - кинематический коэффи-

циент вязкости, слг'/с; V = - ~; <2 - расход воды в трубопроводе, м3/с. я£)

Для повышения эффективности расчетной схемы гидравлической модели нами предложен алгоритм (рис. 3), особенностью которого является использование предварительно идентифицированных напорно-расходных характеристик каждого структурного элемента оросительной сети. На этапе расчета интегральной напорно-расходной характеристики распределительной сети по некоторому правилу суммируются характеристики включенных ДМ в соответствии со структурой их положения в оросительной сети.

При этом возможны два варианта сложения функций: в случае увеличения расхода воды за счет присоединения очередной (работающей) ДМ или ветки распределительной сети, на которой имеется работающая ДМ, сложение функций производится по абсциссе (расходу); в случае изменения характеристик трубопровода сложение производится по оси ординат (напору).

Выходные документы:

1. Возможные режимы работы НС;

2. Напори о-рэсходныв характеристики всех узлов системы;

3. Напор и расход на узлах рассчитанный по рабочим точкам НМ

Рис. 3. Блок-схема алгоритма расчета напорно-расходных характеристик сети

По такому принципу проводится синтез функций распределительной сети до насосной станции (рис. 4). Пересечения напорно-расходных характеристик сети и насосной станции (при переменном количестве работающих насосов) определяют все возможные рабочие точки включенных насосов (рис. 5), по которым рассчитывается напор на гидранте каждой ДМ (рис. 6).

----Узы 53

О ДМ28

-ДМ29

• ДМ28 » ДМ29 • ■-— Уэол-5-3+ДМ28+ДМ2Э -Узег>5-2

Q. ы3/с

а\

Рис. 4. Графическое представление операций с функциями при расчете ра> ходно-напорных характеристик в точке сети «Узел 5-2»

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0 35 0.4 0.45 0.5 О. мэ/с

0 034 0 036 0 038 0 04 0.042 0 044 0W6 0 048 0.05 0 052 Q. ьг/с

Рис. 5. Графическое определение рабочих Рис.6. Возможные рабочие точки на точек при совместной работе насосов и графике напорно-расходной характери-распределительной сети с подключенны- стики ДМ №28 при различных режимах

ми ДМ (4 насоса 1ДЗ15-50)

работы насосной станции

Орошаемая каждой ДМ площадь в момент времени г определяется функцией:

где - орошаемая площадь, га; - длина крыла ДМ, м; Я'дМ - радиус полива насадкой или дождевальным аппаратом, = /(я';м ), м\ Н'дм - напор ДМ,л<.

Интенсивность дождя (.им/мин) каждой ДМ в момент времени ? определяется

как:

,, 60-бдцДЯ')

ю.^, (8)

где (Я') - расход ДМ, л«3/с; /д^ - орошаемая площадь, га;

Время полива на позиции зависит от свободного давления воды на гидранте машины, ее напорно-расходной характеристики и поливной нормы нетто. Поливная норма брутто рассчитывается с учетом потерь на испарение и смачивание листовой поверхности культуры. По поливной норме брутто корректируется продолжительность полива и производительность ДМ за смену. Расчет сменной выработки и нормы обслуживания самодвижущихся дождевальных машин и машин позиционного типа выполнен согласно методическим указаниям; исходные данные получены из справочных материалов.

Проверка гидравлической модели закрытой оросительной сети проводилась путем постановки численных экспериментов с использованием данных по Лузин-ской ОС. Расчетные и полученные с помощью инструментальных методов данные представлены в таблице 1. Результаты сравнения показывают достаточно высокую точность гидравлических расчетов и возможность использования разработанной модели для решения практических задач.

В главе приведены формулы и примеры расчета технологических параметров работы ДМ (в зависимости от давления и поливной нормы): время работы на позиции, норма обслуживания оператором с учетом коэффициента эффективности эксплуатации, зависящего от технического состояния ДМ, погодных условий, микрорельефа, орошаемой сельскохозяйственной культуры и др. В сценарных исследованиях показана возможность использования гидравлической модели для прогноза поверхностного стока и возникновения эрозионных процессов при проведении полива в тех случаях, когда меняется режим работы ДМ.

Таблица 1. Сравнение натурных и расчетных данных

Натурные измерения | Результаты расчета

Условия эксперимента Давление на насосной станции, м Давление на машине, м Давление на насосной станции, м Давление на машине, м

Работа 1 насоса

1 - Фрегат №58 56,10 54,40 56,03 | 54,33

Параллельная работа 2 насосов

1 - Фрегат №58 63,20 61,10 63,10 | 61,21

Параллельная работа 2 насосов

1 - Фрегат №56 47,40 46,00 47,23 45,58

2 - Фрегат №57 47,20 47,13

3 - Фрегат №58 45,80 45,65

Параллельная работа 3 насосов

1 - Фрегат №56 57,10 53,90 56,47 54,33

2 - Фрегат №57 56,00 56,30

3 - Фрегат №58 52,10 54,63

Среднее значение 54,10 52,06 53,78 52,39

Среднее отклонение 0,32125 -0,33252 - -

Коэффициент корреляции 0,99912732 0,98704973 - -

Четвертая глава посвящена оптимальному управлению производством поливов на закрытой оросительной системе. Управление базируется на решении задачи формирования оптимального графика полива и предполагает необходимость увязки подачи воды насосной станцией с расходом дождевальной техники, поливной нормой (брутто), орошаемой площадью поля и наличием операторов ДМ. Сопряжение перечисленных параметров достигается путем использования имитационной гидравлической модели закрытой оросительной системы, которая позволяет увязать технические характеристики оросительной сети с организационно-технологическими и агротехническими требованиями выполнения поливных работ. На решении задачи формирования оптимального графика работы поливной техники с увязкой технических характеристик ОС и требований выполнения поливных работ строится система управления поливами.

Система оптимального управления производством поливов предназначена для реализации расчетного оперативного плана орошения путем формирования на заданный период времени эксплуатационного графика работы дождевальной тех-

ники и насосной станции, согласованного по гидромодулю оросительной сети и имеющимся трудовым ресурсам.

При решении оптимизационной задачи приоритет включения дождевальной техники определяется путем поиска максимального значения функции, характеризующей эффективность полива, которая зависит от ряда показателей: планируемой урожайности и стоимости продукции, отзывчивости сельскохозяйственной культуры на орошение, производительности ДМ и др. В соответствии с принятым критерием значение функции оценки приоритета включения дождевальной техники определяется возможным ущербом (потерей урожая) при смещении (изменении) фактической даты реализуемого полива от расчетной. Функция стоимости потерь урожая на площади, обслуживаемой одной ДМ, определится по выражению:

р; = г/;к(\-кк), (9)

где - стоимость продукции (руб.), потенциально теряемой с части ./-ого поля, обслуживаемой ДМ номера и; Zj - удельная стоимость продукции, равная произведению плановой урожайности и стоимости продукции, т.е. = у'^ гк.,

руб/га; я"к - площадь участка 7-ого поля, га, кк - коэффициент, характеризующий отзывчивость культуры на орошение, равный отношению урожайности культуры без орошения к урожайности при орошении (кк = ук ° /у°к).

В процессе производства поливов значение приоритета включения дождевальной техники будет изменяться в зависимости от разницы между плановой датой полива (¡о) и датой его реализации (I), задаваемой эксплуатационным графиком. Тогда значение технико-экономического показателя потерь С/ определяется согласно целевой функции, которая примет вид:

7=1 1Н V. нач)

-Л)./.

■шш (10)

Основные ограничения оптимизационной задачи - по гидромодулю, трудовым ресурсам и агротехническим требованиям.

Алгоритм решения оптимизационной задачи (2) построен на использовании градиентного метода. Определение приоритета включения ДМ проводится по их усредненным характеристикам согласно выражению (9), приведенного к безраз-

мерному виду, как и целевая функция (10). На рисунке 7 в графической форме представлена динамика изменения приоритетов включения ДМ.

I Продолжительность полива, дней

Рис. 7. Динамика изменения приоритетов включения ДМ с различной производительностью и величиной обслуживаемой площади

Рассчитанные таким способом значения приоритетов включения для всех машин группируются по полям и суммируются (таблица 2).

По убыванию значений приоритета проводится упорядочение номеров орошаемых полей и включаемых в работу ДМ. Поле с наибольшим значением функции (2) занимает первое место в очереди на полив, а для каждого поля на первое место выходят ДМ с максимальной производительностью. Очевидно, что дата включения ДМ с максимальной производительностью на первом (по приоритету на полив) поле совпадет с датой полива, заданной оперативным планом. Одновременное включение второй (очередной) машины допускается, если мощность га-сосной станции и наличие операторов позволяют это сделать (проверяются два I основных ограничения). На этом этапе осуществляется переход от усредненных ' гидравлических характеристик ДМ к характеристикам, рассчитанным с помощью гидравлической модели оросительной сети, что обеспечивает оптимизацию про-I цесса управления поливами.

Таблица 2. Показатели значений приоритетов включения ДМ

Орошаемый контур № ДМ Среднее значениетехии-ко-экономического показателя для ДМ за сутки Значениетехнико-экономического показах-ля для ДМ за весь полив Значение приоритета включения ДМ для всего поля

3 - Кукуруза на зерно, ш=350м3/га, у0=8т/га, уб о =2т/га, г=3500руб/т, 8=125,17га 52 4,45 16,70 37,34

53 3,48 7,71

54 1,66 4,00

35 0,69 3,43

34 0,63 2,93

36 0,38 1,28

37 0,38 1,28

4 - Люцерна, т=400м /га, у0=4 От/га, Убо.=1,5т/га, г=300руб/т, Б-! 63,05га 57 2,10 8,52 26,10

56 2,55 6,99

58 1,89 4,78

55 1,18 2,71

38 0,31 1,55

39 0,31 1,55

Продолжительность полива по каждой включенной машине заносится в сетевой график поливных работ (рис. 8). Продолжительность полива участка поля, обслуживаемого ДМ, предварительно рассчитывается с учетом поливной нормы брутто, орошаемой площади и продолжительности работы ДМ за сутки.

ДМ 26 ИМ 27 ДМ 28 ДМ 29

ДМ 30 ДМ 31 ДМ 32 ДМ 33

ДМ 34 /:мз5

/:мзб

¿М37 (М52 /:М53 ДМ 54

ДМ 38

/:мзэ

£М55 ^56 £М57 ЯМ 58

ДМ 42 ИМ 43 ДМ 44 ДМ 45

15 5 115 1

5 5

1111111 СП О ОН ГО Т Ц^

т- М N « ГЧ М П

Рис. 8. Укомплектованный сетевой график производства поливов

В результате в первую очередь в целевой функции минимизируются и исключаются члены суммы (технико-экономические показатели ДМ), которые вносят наибольший вклад в ее значение (рис.9).

Рис. 9. Блок схема проверки выбранной комбинации включения ДМ и определения оптимального режима работы НС

В процессе перебора вариантов включения ДМ формируется такой график производства поливных работ, при котором достигается максимальная эффектга-ность использования оросительной воды и технических средств сети для каждых суток поливного цикла. Сформированный таким образом график гидромодуля будет отвечать введенным ограничениям, а целевая функция (3) будет иметь минимальное значение, поскольку на каждом этапе выбирается максимальный приоритет.

Далее, с помощью гидравлической модели проводятся расчеты параметров работы системы (насосная станция, ДМ и др.), заданные сформированным планом включения машин по интервалам их работы в течение каждых суток на весь пол № ной цикл (10-20 сут.). Технологические параметры работы ДМ: время работы на позиции, количество пройденных за рабочий день позиций, давление, расход, интенсивность дождя и норма обслуживания определяются по гидравлической модели, функционирующей по сценарию календарного графика производства поливов (рис. 7).

По результатам этих расчетов формируются необходимые документы, обеспечивающие управление режимом работы сети, поливной техники и организацию производства поливов в соответствии с планом орошения. В состав документов входят: сетевой график работы ДМ (дата и время включения, продолжительность полива, рис. 10); календарный график водоподачи насосной станции (число включенных насосов, напор, мощность и КПД рис. 11 и табл. 3); технологические параметры работы ДМ (напор, расход, интенсивность дождя, орошаемая за сутки площадь, норма обслуживания).

й £ й ¡з «

Рис. 10. План занятости машин. (1,2,3,4,5 - порядковый номер позиции; 6,7-заключительное и подготовительное время соответственно)

Таблица 3. План работы насосной станции на текущий день

■I 5 б " 8 5 10 II 12 13 14 15 Комбинация вычюпения ДМ

0.45

в 0.4

= 0.15 5

I ».3

е-

| 0Д5

| о.:

1 0.15 X

2 0.1 3

3 0.05

4 5 б " 8 9 10 11 II 13 14 15 Комбинация включения ДМ

4 5 6 " 8 9 10 11 12 13 14 15 Комбинация включения ДМ

Число параллельно работающих насосных установок

■ I НУ »1+2 НУ "1+2+3 НУ ■ 1+2+3+4 НУ

Рис. 11. Параметры насосной станции при изменении комбинации включения ДМ, при разном количестве параллельно работающих насосных установок (НУ) Примечание: 1,2, 3,... - рассматриваемые варианты включения ДМ

1 I 3 4 5 6 1 8 9 10 Ц II Комбинация вьпн>чшня дм

Время Номер комбинации ДМ Номера работающих ДМ Число насосов Напор, м Подача, м3/с

1 33 1 160,04 0,0450

о 2 33; 32 148,41 0,0837

■ <-> 3 33; 32; 30 2 155,73 0,1267

о 4 33; 32; 30; 31 152,85 0,1441

5 33; 32; 30; 31; 42 157,54 0,1700

6 33; 32; 30; 31; 42; 43 3 156,05 0,1873

о о 7 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44 154,38 0,2029

СГч ■ <—> 8 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45 152,77 0,2168

О 9 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45; 52 4 154,27 0,2719

10 33; 32; 30; 31; 42; 43; 44; 45; 52; 53 149,40 0,3245

Эколого-экономическое обоснование эффективности предложенной системы управления поливами показало, что использование разработанного инструментария и совокупности методов управления способствует повышению технического уровня эксплуатации оросительной системы, экономии оросительной воды (до 10%), снижению непроизводительных затрат труда, созданию условий для роста урожайности (5-10%), предотвращению поверхностного стока и эрозии почв.

Выводы

1. Анализ научной литературы по проблеме управления поливами и производством поливных работ на крупных внутрихозяйственных системах показал актуальность совершенствования информационных систем оперативного управления орошением, как в направлении расширения состава решаемых задач, так и тематического распределения информационных потоков для поддержки принятия решений службой эксплуатации ОС. Предложено оперативное управление поливами рассматривать как двухуровневое (двухэтапное), включающее оперативное планирование режима орошения сельскохозяйственных культур (назначение сроков и поливных норм) и его реализацию с помощью организационно-технологических решений по управлению процессом эксплуатации элементов оросительной системы (насосная станция, распределительная сеть, дождевальные машины).

2. Сформулирована оптимизационная задача формирования сетевого графика производства поливов дождевальными машинами Целевая функция в этой задаче связана с рядом важнейших производственных показателей: площадью орошаемого поля, планируемой урожайностью, стоимостью единицы продукции, отзывчивостью сельскохозяйственной культуры на орошение, производительностью ДМ и сроками проведения поливных работ. Показано, что для корректного решения этой задачи управления производством поливов необходимо структурно-функциональное описание оросительной системы для расчета гидравлического режима работы ее основных элементов.

3. По результатам натурных и теоретических исследований разработана методика создания имитационной модели оросительной системы в виде комплекса программных средств (в среде Ма^аЬ). Модель предназначена для выполнения гидравлических расчетов функционирующей оросительной системы с использованием базы данных параметров элементов сети и описания структуры оросительной системы средствами ГИС.

I Для фрагмента Лузинекой оросительной системы (Омская обл.) создана

имитационная гидравлическая модель, позволяющая путем постановки численных экспериментов и сценарных исследований изучать гидравлические характеристики эксплуатационных режимов работы элементов оросительной системы при различной комбинации включения дождевальных машин.

4. Предложен алгоритм расчета напорно-расходной характеристики рас-I пределительной сети с произвольной комбинацией подключенных ДМ, основанный на операциях с предварительно сформированными функциями, описывающими напорно-расходные характеристики каждого из элементов сети, включая поливную технику. Использование этого алгоритма в гидравлической модели

I обеспечивает высокую скорость (0,0003 сек.) и необходимую точность расчета | (0,0035 МПа) рабочих точек (сопряжение режима работы насосной станции с характеристикой распределительной водопроводящей сети) и напора на гидрантах.

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

6. Предложенная информационная технология принятия решений при I оперативном управлении производством поливных работ основана на использовании разработанной гидравлической модели сети и алгоритма оптимизации сетевого графика, укомплектованного по гидромодулю и имеющимся трудовым ресур-

■ сам, позволяет комплексно решать организационно-технологические задачи выполнения поливных работ, обеспечивает реализацию заданного режима орошения I и высокое качество полива. В состав выходных документов, обеспечивающих оперативное управление и регламентирующих производство поливов, входят: календарный график водоподачи насосной станции (число включенных насосов, ш-I пор, мощность и КПД); сетевой график работы ДМ (дата и время включения, продолжительность полива); технологические параметры работы ДМ (напор, расход, интенсивность дождя, орошаемая за сутки площадь, норма обслуживания).

7. Разработанная система оперативного управления поливами обладает рядом несомненных преимуществ, которые обеспечивают возможность ее универ-

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

Список работ, опубликованных автором по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П. Оперативное управление производством поливов на крупных оросительных системах. // Вестник РАСХН - 2008. - №6. -С. 31-33.

2. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П. Моделирование гидравлических режимов работы закрытой оросительной сети при производстве поливов. // Мелиорация и водное хозяйство. - 2009. - №6. - С. 44-46.

Патенты

3. Головинов Е.Э., Городничев В.И., Добрачёв Ю. П. Патент на полезную модель № 79373, «Дождевальная машина» //М.: Б.И. -2009. -№1. - Зс.

Публикации в других изданиях

4. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П. Оптимизация режима работы оросительной сети и дождевальной техники при оперативном управлении поливами Сборник научных докладов Международной (5-й Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации», ФГНУ ВНИИ «Радуга». - Коломна, 2008, - С. 10-15.

5. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П. Численное гидродинамическое моделирование мелиоративной сети при оперативном управлении поливами. Защитное лесоразведение, мелиорация земель и проблемы земледелия в Российской Федера-

ции: материалы международной научно-практической конференции, ВНИАЛМИ. -Волгоград, 2008. - С. 29-32.

6. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П. Алгоритм расчета гидравлических режимов работы дождевальной техники на закрытой оросительной сети. Сборник научных докладов И-ой Международной (6-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации. ФГНУ ВНИИ «Радуга». - г. Коломна, 2009. - С. 55-57.

7. Головинов Е.Э. Методические аспекты расчета гидравлического режима сопряжения напорно-расходных характеристик оросительной сети и насосной станции. Материалы юбилейной международной научно-практической конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства», ГНУ ВНИИГиМ РАСХН. Том II. - Москва: ГНУ ВНИИА РАСХН, 2009. - С.51-58.

8. Головинов Е.Э., Добрачёв Ю.П., Виноградова Г.Н. Выбор рационального состава комплекса агромелиоративных мероприятий. Материалы юбилейной международной научно-практической конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства», ГНУ ВНИИГиМ РАСХН. Том II. - Москва: ГНУ ВНИИА РАСХН, 2009. -С.385-391.

ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии Москва 127550, ул. Б.Академическая, 44 Подписано к печати 27.04.10 Заказ 43 Тираж 100

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Головинов, Евгений Эдуардович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ НА КРУПНЫХ ВНУТРИХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ.

1.1 Структура, состав и функции системы оперативного управления поливами.

1.2 Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений.

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

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1 Объекты исследования.

2.2 Теоретические и экспериментальные методы исследований.

2.3 Программное обеспечение.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЗАКРЫТОЙ ОРОСИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИВОВ.

3.1 Гидравлическая модель закрытой оросительной сети.

3.2 Результаты сценарных исследований работы закрытой оросительной сети.

3.3 Оценка достоверности расчетов по гидравлической модели.

3.4 Расчет нормы обслуживания дождевальной техники в зависимости от технологических параметров полива.

3.5 Оценка эрозионных процессов при поливе дождеванием.

3.6 Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления.

ГЛАВА 4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОИЗВОДСТВОМ ПОЛИВОВ.

4.1 Варианты оперативного плана орошения.

4.2 Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов.

4.3 Выходные документы системы управления поливами.

4.4 Эффективность предлагаемой системы оперативного управления поливами.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе"

Актуальность исследований. В последние годы возрос интерес сельхозпроизводителей к восстановлению и реконструкции оросительных систем и, соответственно, обеспечению их эффективной эксплуатации, во многом определяющей рациональное использование мелиорируемых земель. Системное рассмотрение и анализ основных путей повышения эффективности использования орошаемых земель позволяет сделать вывод о необходимости создания новых и модернизации существующих систем управления орошением. Практическая реализация таких систем позволит обеспечить рациональное распределение оросительной воды по полям и культурам, назначение поливов сельскохозяйственных культур в зависимости от потребности растений с учетом технических возможностей оросительной сети и др.

Функции систем управления орошением базируются на решении множества взаимосвязанных задач планирования и последующего управления водораспределением, в том числе путем согласования сроков и объемов подачи воды с работой поливной техники. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах можно разделить на два этапа: планирование поливов по агрометеопараметрам и последующая их организационно-технологическая реализация. В эффективном использовании водных, технических, энергетических и трудовых ресурсов, оперативное управление играет важную роль, обеспечивая благоприятные условия для формирования урожая сельскохозяйственных культур. Разработка информационных систем оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур, направленных на эффективное использование технических средств гидромелиоративной системы, рациональное использование земельных, водных и трудовых ресурсов, является актуальной задачей.

Целью исследований является разработка моделей и расчетных схем системы оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе, позволяющих оптимизировать организационно-технологические параметры исполнения поливных работ с учетом технических характеристик оросительной сети, включая насосную станцию, распределительную сеть и поливную технику.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведена оценка качества функционирования существующих систем оперативного управления поливами и выявлены резервы повышения эффективности эксплуатации оросительных систем и поливной техники; выполнен анализ существующих подходов к решению вопросов, связанных с формированием графика проведения поливных работ на закрытой оросительной системе, в том числе с использованием .разработанных ранее информационных систем оперативного управления орошением; разработана гидравлическая модель оросительной сети с произвольно подключенной комбинацией поливной техники, проведены сценарные исследования и выполнена экспериментальная проверка их результатов на реальном объекте управления; сформулирована и решена оптимизационная задача формирования графика работы поливной техники, обеспечивающего реализацию заданного режима орошения сельскохозяйственных культур с учетом гидромодуля оросительной системы, параметров насосной станции, распределительной сети, дождевальных машин и наличия трудовых ресурсов; разработаны модели, схемы и алгоритмы для автоматизированного формирования графика полива и расчета технологических параметров работы дождевальных машин при реализации оперативного плана полива сельскохозяйственных культур на оросительных системах закрытого типа; создан инструментарий системы управления производством поливов, позволяющий в оперативном режиме формировать сценарий функционирования оросительной сети на заданный период поливного цикла (7-14 суток).

Объектом исследования являются крупные внутрихозяйственные оросительные системы, их структурные и гидравлические характеристики, поливная техника, организационно-технологические аспекты производства поливных работ. Предметом исследования является оперативная деятельность службы эксплуатации оросительной системы по назначению и производству поливов сельскохозяйственных культур, а также функционирование оросительной сети в поливной сезон.

Методика исследований основана на обобщении и анализе проектной документации и отчетных материалов по эксплуатации оросительных систем, результатов отечественных и зарубежных исследований, связанных с разработкой систем управления водораспределением и поливами, моделированием оросительных систем с использованием программных средств, разработанных во ВНИИГиМ. В работе использовано современное математическое и программное обеспечение для разработки численных моделей, решения статистических и оптимизационных задач, обработки картографической информации.

Личный вклад соискателя состоит в разработке имитационной гидравлической модели оросительной сети, теоретическом и методическом обосновании расчета гидравлических характеристик оросительной системы, включающей насосную станцию и водораспределительную сеть при произвольной комбинации включения поливной техники, проведении полевых исследований, выполнении сценарных численных экспериментов по расчету оптимальных графиков полива сельскохозяйственных культур для сети с пассивными и активными элементами регулирования давления на гидрантах и участках распределительной сети. Выполнен анализ и обобщение результатов исследований, которые представлены в форме информационной технологии поддержки принятия решений при оперативном управлении поливами.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

- разработана имитационная гидравлическая модель оросительной сети и создан эффективный алгоритм определения рабочих точек насосной станции и распределительной сети при любой произвольной комбинации одновременно включенных дождевальных машин; доказана возможность формирования оптимального графика проведения поливов и его реализации в оперативном режиме на протяжении всего поливного сезона в режиме реального времени;

- впервые поставлена и решена оптимизационная задача по формированию сетевого графика производства поливных работ при оперативном управлении орошением, включающая целевую функцию, основанную на показателе качества исполнения планового режима орошения (по фактору времени). В решении используется разработанная автором гидравлическая модель оросительной сети для расчета режима работы насосной станции и поливной техники.

Основные положения, выносимые на защиту:

- алгоритм и программная реализация блиц-расчета гидравлических характеристики распределительной сети, основанного на операциях с функциями, описывающими напорно-расходные характеристики элементов сети, включая поливную технику;

- имитационная гидравлическая модель оросительной системы для расчета характеристик режима работы насосной станции и поливной техники;

- алгоритм расчета оперативного графика производства поливов и технологических параметров работы дождевальной техники, основанный на решении оптимизационной задачи;

- информационная технология поддержки принятия решений по формированию в оперативном режиме эффективного графика проведения поливов дождевальными машинами на внутрихозяйственной оросительной системе закрытого типа.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что разработанные модели, расчетные схемы и алгоритмы позволяют повысить качество управленческой деятельности службы эксплуатации внутрихозяйственной оросительной системы и, тем самым, повысить эффективность использования земельных, водных, энергетических и трудовых ресурсов, обеспечить снижение антропогенной нагрузки на орошаемые земли агроландшафта за счет применения в хозяйствах предложенных методов комплектации графика полива. Разработанная гидравлическая модель оросительной сети может использоваться при проектировании гидромелиоративных систем и подборе оборудования насосной станции. Результаты исследований использовались при расчете технологических параметров производства поливов широкозахватной поливной техникой на Заволжской оросительной системе (Николаевский р-н, Волгоградская обл.).

Результаты исследований использовались при составлении ежегодных отчетов ГНУ ВНИИГиМ по программе РАСХН 03.02.02: «Разработать мероприятия по устойчивому и безопасному функционированию водных объектов АПК в условиях активного техногенного воздействия».

Апробация результатов исследований проводилась на ряде научно-практических конференций национального и международного уровня: Международная (5-ая Всероссийская) конференция молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, 2008); Международная научно-практическая конференция «Защитное лесоразведение, мелиорация земель и проблемы земледелия в Российской Федерации» (Волгоград, 2008); 2-ая Международная (6-ая Всероссийская) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации (Коломна, 2009); Международная научно-практическая конференция «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства» (Москва, 2009).

По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ общим объемом 2,6 п.л., в том числе 2 публикации в журналах по Перечню ВАК РФ. Получен патент на полезную модель (№2008122464/22(026905) «Дождевальная машина»)

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

Заключение Диссертация по теме "Мелиорация, рекультивация и охрана земель", Головинов, Евгений Эдуардович

выводы

2. Сформулирована оптимизационная задача формирования сетевого графика производства поливов дождевальными машинами. Целевая функция в этой задаче связана с рядом важнейших производственных показателей: площадью орошаемого поля, планируемой урожайностью, стоимостью, единицы продукции, отзывчивостью сельскохозяйственной культуры на орошение, производительностью ДМ и сроками проведения поливных работ. Показано, что для корректного решения этой задачи управления производством поливов необходимо структурно-функциональное описание оросительной системы для расчета гидравлического режима работы ее основных элементов.

3. По результатам натурных и теоретических исследований разработана методика создания имитационной модели оросительной системы в виде комплекса программных средств (в среде Matlab). Модель предназначена для выполнения гидравлических расчетов функционирующей оросительной системы с использованием базы данных параметров элементов сети и описания структуры оросительной системы средствами ГИС.

Для фрагмента Лузинской оросительной системы (Омская обл.) создана имитационная гидравлическая модель, позволяющая путем постановки численных экспериментов и сценарных исследований изучать гидравлические характеристики эксплуатационных режимов работы элементов оросительной системы при различной комбинации включения дождевальных машин.

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

6. Предложенная информационная технология принятия решений при оперативном управлении производством поливных работ основана на использовании разработанной гидравлической модели сети и алгоритма оптимизации сетевого графика, укомплектованного по гидромодулю и имеющимся трудовым ресурсам, позволяет комплексно решать организационно-технологические задачи выполнения поливных работ, обеспечивает реализацию заданного режима орошения и высокое качество полива. В состав выходных документов, обеспечивающих оперативное управление и регламентирующих производство поливов, входят: календарный график водоподачи насосной станции (число включенных насосов, напор, мощность и КПД); сетевой график работы ДМ (дата и время включения, продолжительность полива); технологические параметры работы ДМ (напор, расход, интенсивность дождя, орошаемая за сутки площадь, норма обслуживания).

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

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Головинов, Евгений Эдуардович, Москва

1. Аверьянов С.Ф. Борьба с засолением орошаемых земель. М.: Колос, 1978. стр. 288.

2. Айдаров И.П., Голованов А.И. Мелиоративный режим орошаемых земель и пути его улучшения. // Гидротехника и мелиорация, 1986, N 8, с.44-47.

3. Айдаров И.П. Регулирование водно-солевого и питательного режимов орошаемых земель. // М.: Агропромиздат, 1985, 304 с.

4. Алексеев Г.А. Динамика инфильтрации дождевой воды в почву. 6/60, JI: б.н., 1948г., Труды Государственного гидрологического института.

5. Анойкин Н.И. Количественная оценка ущербов в ирригации от ограничения водопотребления. Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства, 1975, вып. 12, Алма-Ата: Наука, 1975, с.52-58.

6. Анойкин Н.И. Определение оптимальной оросительной нормы. -Проблемы гидроэнергетики и водного хозяйства, 1975, вып. 12, с.47-51.

7. Балаев Л.Г., Живлов А.И. и Добрачев Ю.П. Вопросы совершенствования организации программирования урожаев на орошаемых землях, б.м.: Экспресс-информация ЦБНТИ ММиВХ СССР, 1985. стр. 1-7.

8. Богославский Б.Б., Самохин А.А., и др. Общая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. стр. 356.

9. Борисов B.C., Добрачев Ю.П., Кошовец Б.И., Райнин В.Е. Оптимальное управление формированием урожая. В кн.: Совершенствование технологией мелиорации земель. М.: ВНИИГиМ, 1988, с. 12-30.

10. Борисов B.C., Добрачев Ю.П. и Кошовец Б.И. Оптимальное оперативное управление водным режимом сельскохозяйственных культур. Экспресс-информация. // Мелиор. И водное хоз-во. М. : БНТИ Минводхоза СССР, 1987. стр. 26-32.

11. Браславец М.Е. и Гуревич Т.Ф. Кибернетика. Киев : Урожай, 1977. стр. 324.

12. Васильев А.А. Деятельность США в рамках программы исследоывания природных ресурсов из космоса. Исследования земли из космоса. 1980. стр. 113-120.

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

14. Воротынцев А.В. и Рогожина H.JL Задачи оптимального управления для модели системы почва-растение. М. : ВЦ АН СССР, 1988.

15. Галямин Е.П. Оптимизация оперативного распределения водных ресурсов в орошении. Л.:Гидрометеоиздат, 1981, 270 с

16. Галямин Е.П., и Сиптиц С.О. Динамическая модель продукционного процесса кукурузы // Тр. ИЭМ. 1977. стр. 114-123.

17. Головатый В.Г., Добрачев Ю.П., Юрченко И.Ф. Модели управления продуктивностью мелиорируемых агроценозов. М.: Россельхозакадемия, 2001.

18. Головатый В .Г., Заборовский С. А., Корганов А.С. Опыт применения автоматизированной системы планирования и управления выращиванием урожаев на орошаемых землях.// Водосберегающие технологии орошения.//Тр./ВНИИГиМ. М., 1989, с.21-26.

19. Горбачев В.А. О расчете воднофизических характеристик различных типов почв // Тр. ВНИИСХМ. J1. : Гидрометеиздат, 1983. стр. 42-56.

20. Горбачева Р.И. Зависимости урожай влагообеспеченность для водохозяйственных расчетов. - Гидротехника и мелиорация, 1986, №3, с.66-69.

21. Грамматикати О.Г., Дворников Л.Д. Методы определения скорости передвижения воды к корневой системе растений. М : Наука АГ СССР, 1974 г., Биологические основы орошаемого земледелия, стр. 151-159.

22. Губер К.В. Тенденции совершенствования внутрихозяйственных оросительных систем //Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства, ТII / М.: ВНИИГиМ, 2009. С. 3-12.

23. Губер К.В., Шейнкин Г.Ю., Луцкий В.Г. Тенденции совершенствования внутрихозяйственных оросительных систем. //Мелиорация и водное хозяйство/ Мелиоративные системы/ обзорная информация// Москва.: ЦБНТИ, 1989. вып. 5. 60с.

24. Гультяев А.К. MATLAB 5.3. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие. СПб.: КОРОНА принт, 2001. 400 с.

25. Дмитриев B.C. Некоторые вопросы повышения экономической эффективности орошения. Гидротехника и мелиорация, 1975, №1. с.83-89.

26. Добрачев Ю.П. Закономерности впитывания воды в почву занятую растениями. М : б.н., сентябрь 2004г., Межрегиональная конференция МКИД.

27. Добрачев Ю.П. Программирование урожая на орошаемых землях. // ЦБНТИ ММиВХ СССР, "Мелиорация и водное хозяйство". Обзорная информация, М., 1987, вып.1. с. 54.

28. Добрачев Ю.П. Теория и технология оптимального управления орошением. Деп. ЦИТИ "Мелиоинформ", Инф. бюлл. "Вопросы мелиорации", 1998, вып. 4,-239 с.

29. Добрачев Ю.П. Управление водным режимом агроценоза на гидромелиоративной системе с учетом экологических ограничений. / Экологические аспекты природно-мелиоративных исследований. Труды ВНИИГиМ, т. 88, М., 1995, с. 36-42.

30. Добрачев Ю.П. Управление водным режимом почвы, математические модели и расчеты поливного режима. // В сб. "Программирование урожаев с.-х. культур на орошаемых землях" //М., ЦБНТИ ММиВХ СССР, 1984, с. 14-28.

31. Ерхов Н.С., Москвичев Ю.А. Напорное впитывание воды в почву при дождевании. Труды ВНИИМ и ТП. 1972, Т. 3, стр. 48-54.

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

33. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям, б.м.: Машиностроение, 1975.

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

35. Костяков А.Н. О динамике коэффициента просачивания воды в почвогрунты и необходимости динамического подхода к его изучению в мелиоративных целях. 3, 1932г., Почвоведение.

36. Кузник И.А. Опыт исследования просачивания воды в почву в Заволжье. 10, 1951г., Почвоведение.

37. Ларионова A.M. Впитывающая способность почв при поливах дождеванием : Дис. д-ра техн. наук : 06.01.03 М.5 2004

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

39. Лихацевич А.П. Оросительная норма и ее соответствие дефициту водопотребления // Мелиорация переувлажненных земель. T.XXXVI, Минск: Ураджай, 1988, с.65-69.

40. Лихацевич А.П. Дожевание сельскохозяйственных культур. Минск Бел. Наука, 2005. 280 с.

41. Миленин Б.О. Гидротехника и мелиорация: Работы молодых ученых. М : ВАСХНИЛ, 1968. стр. 60-70.

42. Моисеев Н.Н. О методологии математического моделирования процессов сельскохозяйственного производства. 1, 1984г., Вестник с.-х. науки, стр. 14-20.

43. Москвичев Ю.А., Ерхов Н.С., Бычков М.И.,. Методика определения скорости впитывания воды в почву при дождевании для расчета допустимой интенсивности. Сорник научных трудов ВНИИМ и ТП. 1973, Т. IV, стр. 129134.

44. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Энерго и массо-обмен в системе растение -почва воздух. Л.: Гидрометеоиздат, 1975, 360с.

45. Никольская А.А., Мошнин Л.Ф., и Алдошкин А.А. Руководство по применению гидротехнической трубопроводной арматуры на внутрихозяйственной оросительной сети. Москва: ОСОИТД "Союзгипроводхоз", 1983.

46. Ольгаренко Г.В. Проблемы и перспективы развития орошаемого земледелия. 30, Новочеркасск : б.н., 2000 г., стр. 212-215.

47. Ольгаренко Г.В. Проблемы мелиорации и орошаемого земледелия юга России: Материалы совместного выездного заседания коллегии Минсельхоза и Президиума Россельхозакадемии. Ростов н/Д : б.н., 2001 г., стр. 106-117.

48. Остапчик В.П. Обоснование и разработка методов планирования режимов орошения сельскохозяйственных культур. / Автореф. докт. дисс. // М.: 1986, с.41.

49. Остапчик В.П., Информационно-советующая система управления орошением. Киев : Урожай, 1989. стр. 248. ISBN 5-337-00391-7.

50. Орошение /Справочник по мелиорации //Под редакцией Б.Б.Шумакова/М.: «Колос», 1999. 432 с.

51. Петров Н.Г. Программирование урожаев сельскохозяйственных культур в агролесосистемах. //М.: Росагропромиздат, 1991, с. 125.

52. Потемкин В.Г. MATLAB 6: среда проектирования инженерных приложений. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003-448 с.

53. Райнин В.Е. Моделирование и оптимизация развития орошения земель. // Автореф. дисс. док. тех. наук. //М.: ВНИИГиМ, 1989, 36 с.

54. Рекомендации по созданию инженерной службы эксплуатации внутрихозяйственной части оросительных систем, ред. Полухина Т.А. Коломна : ВНПО "Радуга", 1988г. стр. 51.

55. Рекс Л.М. Системные исследования мелиоративных процессов и систем. // М.: Аслан, 1995, -192 с.

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

57. Столяров А.И., Бабай О.В., Задача оптимального управления поливами сельскохозяйственных культур. Ростов-н/Д: Южгипроводхоз, 1972. стр. 40. Вып. 13.

58. Судницин И.И. Движение почвенно влаги и водопотребление растений. М : МГУ, 1979. стр. 253.

59. Тимирязев К. А. Земледелие и физиология, растений. -Избр. соч. М.: Огиз-Сельхозгиз, 1948, т.2, 423с.

60. Харченко С.И. Гидрология орошаемых земель. JI: Гидрометеоиздат, 1975. стр. 373.

61. Чебаевский В.Ф., Вишневский К.П., Накладов Н.Н. Проектирование насосных станций и испытание насосных установок. // М.: Колос, 2000. 376 с.

62. Чичасов В.Я., Кантор О.В., Исследование впитывания воды в почву при дождевании в Поволжье. Совершенствование методов гидрологических и почвенно-мелиоративных исследований орошения и осушения земель. 3, М: б.н., 1975г., стр. 170-174.

63. Чугаев P.P. Гидравлика. Ленинград : "Энергия", 1975.

64. Шабанов В.В. Комплексное мелиоративное регулирование в зоне избыточного неустойчивого увлажнения // в кн. Комплексные мелиорации. М., Колос, 1980.

65. Шатилов И.С., Чудновский А.Ф. Агрофизические, агрометеорологические и агротехнические основы программирования урожаев. / Принципы АСУ ТП в земледелии. // Д.: Гидрометеоиздат, 1980.

66. Швебс Г.И. Теоретические основы эрозиоведения. К : Вища школа, 1981. стр. 212.

67. Штепа Б.Г. Механизация полива: Справочник. М : Агропромиздат, 1990. стр. 117-122.

68. Шумаков Б.Б., Кан Н.А., Столяров А.И. Математическое моделирование в программировании урожая на орошаемых землях // Вестник с.-х. науки, 1977, № 6, с.115-122.

69. Шумаков Б.Б., Кружилин И.П., Болотин А.Г. Оптимизация водного режима почвы для запланированного урожая яровой пшеницы. // Вестник с.-х. науки, 1981, N 11, с.69-78.

70. Якушев В.П. Разработка и создание автоматизированной информационной системы для агрометеорологического обеспечения программирования урожая // Препринт/ JL: АФИ. 1997.

71. Bernardo D., Whittlesey N., е.а. Irrigation optimization under limited water supply. Paper/American society of agricultural engineers, №85, 1985, p. 10-11.

72. English J., James L. A practical view of deficit irrigation. Paper/American society of agricultural engineers, №85, 1985, p.24.

73. Fereres E. and Puech,I. Irrigation management program. // Univ.Calif. Coop. Exten. Serv. and Calif. Depart. Water Res. 1980.

74. Giannerini, G. RENANA MODEL: a model for irrigation scheduling, employed on a large scale. 15th International Congress on Irrigation and Drainage. The Netherlands, 1993.

75. Jacucci G., Kabat,P., Pereira, HYDRA S.L.: a decision support model for irrigation water management. 15th International Congress on Irrigation and Drainage. The Netherlands, 1993.

76. Keulen H., Seligman N.G. and Benjaminr.W. Agric. Syst. Simulation of water use and herbage growth in arid regions: a reevalution and further development of the model "ARID CROP". 1981. v.6 №3, pp. 159-193.

77. Sharma D.K., and Kumar K.N., Ashok & Singh Effect of irrigation scheduling on growth, yield and evapotranspiration of wheat in sodic soils. /V. 18, №3., 1990r., Agr. Water. Manag., стр. 267-276.

78. Walker W.R. Integrating Strategies for Improving Irrigation Sistem Design and Management. Water Management Synthesis. // Project WMS Repot 70, Utah State University, Logan, Utah, 1990.

Информация о работе

Головинов, Евгений Эдуардович
кандидата технических наук
Москва, 2010
ВАК 06.01.02

Диссертация

Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы