Автореферат (Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе)

На правах рукописи

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

Москва  2010

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

Защита состоится «03» июня 2010 г. в 10⁰⁰ часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова 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://sovet.vniigim.ru

«29» апреля 2010 г.

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 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 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.

Методика исследований основана на обобщении и анализе проектной до­кументации и отчетных материалов по эксплуатации оросительных систем, ре­зультатов отечественных и зарубежных исследований в области создания систем водораспределения и управления поливами, а также в области моделирования 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 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, N.Tuagi, S.Bhirud, G.Jacucci, P.Kabat 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 накладывают 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 полей J с площадью каждого поля S_j, занятого сельскохозяйственной культурой (k), n - порядковый номер машины на внутрихозяйственной оросительной сети. Задача оперативного 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 производится 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:

, (1)

где u_j – показатель возможных потерь (ущерба) урожая от смещения сроков полива площади s(t) j-того поля на время ; – планируемая урожайность k-той культуры на j–том поле, т/га; Z_k - стоимость единицы продукции (руб./т) k-той культуры, t^* - плановый день полива, сут., t – день полива площади s_j.