Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе

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:

• 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»)

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 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.
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 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.