Russian Federation
VAK Russia 4.1.5
UDC 628.1
CSCSTI 68.31
Russian Classification of Professions by Education 35.00.00
Russian Library and Bibliographic Classification 4
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The purpose of the research was to develop an algorithm for modeling water supply modes in the «System» control loop on reclamation dualcontrol systems for further development of software or information tools. The object of research is the process of water distribution on reclamation systems of dual regulation of the water regime (MSDR). For modeling in this «System» control loop, the principle of ensuring a systematic approach to regulating water supply regimes at all previous levels of regulation was applied («Water consumers» – «Groups of water consumers» – «System sections»). For the possibility of modeling in this circuit, a scheme has been developed that includes a regulating tank for receiving drainage water during the flood period and supplying it for humidification during the growing season, a head structure regulating the supply of water to the system, open (or closed), a distribution network and water separation nodes that have regulating structures of various orders, as well as consumers of water resources and an estuarine structure. The initial information necessary for modeling the dispatcher schedule in the «System» contour has been determined. Based on the scheme and the initial data, an algorithm has been developed for modeling the dispatcher schedule of water distribution in the control loop «System» on the MSDR. The algorithm consists of three main modules: preparation for modeling, the distribution modeling itself, and, accordingly, the simulation results. At the same time, the module «distribution modeling» consists of «calculation of the mode of operation of water separation units» and «implementation of water distribution». The proposed modeling system with the developed algorithm makes it possible to dynamically control the water supply, create software and a software package for information technology support for modeling water resource management modes on the MSDR
reclamation system, dual regulation, modeling, control loop, water regime, water resources, regulating capacity
Введение.
Рассматривая процесс водораспределения на мелиоративных системах двойного регулирования (МСДР) видим, что данный процесс представляет из себя транспортирование водных ресурсов различным каналам или трубопроводам с конечной целью – подачи водопотребителю в нормированных объемах, но также могут применяться ненормированный и комбинированный способы [1–2].
При разработке планов водопользования строят графики нормированной водоподачи между потребителями, но для этого определяются лимиты и наличие водных ресурсов как за пределами системы (забор воды из крупных водохранилищ), так и может учитываться и наличие водных ресурсов внутри системы двойного регулирования [3–5].
Рассматривая сам процесс водораспределения можно сделать вывод, что он является многозадачным и ручное управление затруднено, в связи с чем необходимо использовать систему автоматизированного управления. Участие человека эксплуатирующего систему также необходимо сводить к нулю, оставляя ему функцию настройки системы автоматизированного водораспределения [6–7].
В век, когда направление информационных технологий очень сильно развивается и происходит многочисленное использование «гаджетов», которые позволяют использовать программное обеспечение для расчета различных задач в мелиорации [8–11] то и в области водораспределения водных ресурсов систем двойного регулирования необходима разработка программного комплекса информационно-технологической поддержки моделирования режимов регулирования водных ресурсов [12–13].
Процесс распределения водных ресурсов на МСДР выражается в решении сложной задачи, так как имеется осушительная часть системы для отвода дренажного стока в регулирующие емкости и оросительная – для подачи воды на увлажнение [12, 14, 15].
Анализируя процесс моделирования распределения водных ресурсов на МСДР наиболее рациональным и целесообразным является принцип моделирования по контурам регулирования: водопотребитель (мелиорируемое поле) – группа водопотребителей – участок системы, включающие несколько водопотребителей – и конечный контур – это «Система» [12]. Ранее авторами уже рассматривались основные контуры регулирования [4, 13, 16], что говорит о необходимости рассмотрения контур «система» с разработкой алгоритма моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система».
Исходя из этого, целью настоящих исследований является разработка алгоритма моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система» для МСДР. При этом МСДР включает закрытый дренаж и расположенной регулирующей емкости (водоприемника-водоисточника) на более высоких отметках.
Материалы и методы. Информационное ядро работы для моделирования режима водораспределения в контуре «Система» составили положения по информационным технологиям на автоматизированные системы, методы обработки и систематизации информации, а также правилам водораспределения на мелиоративных системах [13].
Для моделирования в данном контуре регулирования «Система» применяли принцип обеспечения системного подхода к регулированию режимов водоподачи на всех предыдущих уровнях регулирования («Водопотребители» – «Группы водопотребителей» – «Участки системы») [9, 12].
При этом необходимо решить задачи определения режимов работы: головного водозаборного сооружения, вододелительных узлов, подпорно-регулирующих сооружений, подающих воду водопользователям водовыделов и др. [17]. Эти задачи должны решаться исходя из имеющейся структуры распределительной сети, ее эксплуатационных характеристик, оперативно изменяющихся режимов заборов воды водопользователями, установленных лимитов водопользования и т.п. На действующих МСДР эти задачи, как правило, решаются диспетчерскими службами. В этой связи, процедура моделирования управления водными ресурсами на этом уровне должна сводиться к моделированию диспетчерского управления водораспределением.
Укрупненная схема моделирования приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Укрупненная схема моделирования режимов управления
водораспределения в контуре «Система»
Предложенная схема моделирования в контуре «Система» включает регулирующую емкость для приема дренажных вод в паводковый период и подачи для увлажнения в вегетационный период, головное сооружение, регулирующее подачу воду в систему, открытую (или закрытую), распределительную сеть и вододелительные узлы, которые имеют регулирующие сооружения различного порядка, а также потребителей водных ресурсов и устьевое сооружение.
При моделировании диспетчерского графика в качестве исходной информации для контура «Система» используют следующие исходные данные:
а) схема водораспределения на МСДР.
б) характеристики элементов МСДР:
– обозначения водопользователей;
– КПД ее элементов 
;
– пропускные способности сооружений МСДР , м3/с
в) заявки водопотребителей на воду:
– сроки начала подачи , ч;
– сроки окончания подачи , ч;
– расходы , м3/с
г) лимиты водопотребления: расходы , м3/с и объемы , м3
д) интервалы регулирования , ч.
Результаты и обсуждение.
На основе исходной информации и существующих принципов водораспределения разработан алгоритм моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система» на МСДР, изображенный на рисунке 2.
Рассматривая разработанный алгоритм видим модуль «подготовка к моделированию» включающий три основных операции на которых производятся следующие действия: определяются основные характеристики (параметры) МСДР, в том числе по контурам регулирования более низкого уровня, такие как «участок системы», «группа водопотребителей» или «водопотребители», согласно [12] (блок 1). Далее устанавливаются лимиты на водопользование (если такие существуют) и/или пропускные способности каналов и сооружений МСДР (блок 2). В конце вводятся заявки водопотребителей на воду (блок 3) как в виде отдельных водопотребителей, так и в виде ранее определенных контуров регулирования «группа водопотребителей» и/или «участок системы».
Процесс моделирования на всей МСДР (группа блоков 4–12 «Моделирование водораспределения») в простейшем случае сводится к последовательному регулированию работы ее вододелительных узлов (группа подблоков 4–8 «Расчет режимов работы вододелительных узлов»).
В начале определяется i-ый вододелительный узел, для которого необходимо совершить регулирование, представленный блоком 4. Для этого узла производится:
– расчет суммарного водопотребления всех водопотребителей данного узла , м3/с, с учетом возможных потерь, в алгоритме это блок 5;
– расчет суммарного водопотребления всех нижележащих вододелительных узлов , м3/с, учетом возможных потерь в алгоритме это блок 6;
Рисунок 2- Алгоритм моделирования диспетчерского графика водораспределения
в контуре регулирования «Система» на МСДР
– расчет общего водопотребления узла 
, м3/с, в алгоритме это блок 7;
– выбор следующего i+1-го вододелительного узла (блок 8) и процедура регулирования для этого узла повторяется, начиная с блока 4.
При этом если расчеты по всем вододелительным узлам проведены (т. е. узлы закончились) и согласно блока 8, при отсутствии следующего узла то переходят к определению режимов подачи воды в систему (группа блоков 9–12 «Реализация водораспределения»).
На начальном этапе «реализации водораспределения» рассчитываются расходы на головном сооружении системы 
, м3/с, в алгоритме это блок 9.
Полученные результаты сравниваются с пропускными способностями каналов и сооружений и установленными лимитами на водопользование (блоки 10 и 11 алгоритма).
При этом если дальнейшее регулирование невозможно, то производится корректировка (согласование) режимов водоподачи (блок 12 алгоритма) и проводится повторное рассмотрение заявок водопотребителей и повторятся блоки алгоритма 4–11.
А если дальнейшая работа возможна, то производится переход к следующему этапу моделирования (блок 13).
После завершения процедуры моделирования всех регулирующих сооружений производится оценка результатов моделирования (группа блоков 14–15 «Результаты моделирования»)
Для визуальной оценки ситуации на системе при моделировании должны отображаться:
– номограмма, отображающая смоделированные заборы воды водопотребителями и пропускные способности подающих им воду каналов и сооружений;
– номограмма, отображающая смоделированные расходы на вододелительных узлах МСДР и их пропускные способности;
– график забора воды из системы и установленных лимитов на водопользование.
Вид экранной формы программы моделирования диспетчерского графика водоподачи в контуре регулирования «Система» приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Вид экранной формы программы моделирования диспетчерского графика водоподачи в контуре регулирования «Система»
Выводы.
Рассматривая процесс водораспределения на мелиоративных системах двойного регулирования (МСДР) видим, что данный процесс представляет из себя транспортирование водных ресурсов различным каналам или трубопроводам с конечной целью – подачи водопотребителю в нормированных объемах, но также могут применяться ненормированный и комбинированный способы. При разработке планов водопользования строят графики нормированной водоподачи между потребителями, но для этого определяются лимиты и наличие водных ресурсов как за пределами системы (забор воды из крупных водохранилищ), так и может учитываться и наличие водных ресурсов внутри системы двойного регулирования. Анализируя процесс моделирования распределения водных ресурсов на МСДР наиболее рациональным и целесообразным является принцип моделирования по контурам регулирования: водопотребитель (мелиорируемое поле) – группа водопотребителей – участок системы, включающие несколько водопотребителей – и конечный контур – это «Система».
Задачей моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система» на МСДР принято определение распределения воды из водоисточника, являющегося и приемником дренажного стока, по нескольким группам регулирования «участок системы», представленных каждая из нескольких контуров «группы водопотребителей».
Разработанный алгоритм моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система» на МСДР состоит из трех основных модулей: подготовка к моделированию, само моделирование распределения и соответственно результаты моделирования. При этом модуль «моделирование распределения» состоит из «расчета режима работы вододелительных узлов» и «реализации водораспределения».
Первый модуль включает определение основных характеристик и лимитов на водопользование МСДР и сбор заявок водопотребителей. Блок второго модуля «расчет режима работы вододелительных узлов» включает в себя основные расчеты показателей водораспределения такие как водопотребление водопотребителей i-го узла, водопотребление нижележащего i+1 узла и общее водопотребление узла. Блок второго модуля «реализация водораспределения» включает в себя расчет расхода на головном сооружении, при этом сравнивая с пропускными способностями сети и установленными лимитами с возможностью корректировки режима водоподачи при необходимости. Третий модуль «результаты моделирования» содержит окончательные результаты расчета показателей регулирования и определения эксплуатационных мероприятий по обеспечению регулирования всем контуром регулирования «Система» на МСДР.
Заключение.
Предложенная система моделирования режимов распределения водных ресурсов на МСДР в контуре «Система» с разработанным алгоритмом позволяет проводить динамическое управление подачей воды из регулирующего резервуара. Это позволяет эффективно адаптироваться к быстро меняющимся потребностям в воде в контурах «Водопотребитель», «Группа водопотребителей» и «Участок системы» минимизируя потери воды и оптимизируя ее использование в системах мелиоративного осушения и орошения (МСДР). Предложенный алгоритм может быть использован как основа для создания программного обеспечения, которое станет важным инструментом при эксплуатации современных мелиоративных систем, а также дальнейшего создания программного комплекса информационно-технологической поддержки моделирования режимов регулирования водных ресурсов на МСДР.
1. Tkachev A. A., Ivanenko Yu. G., Zarubin V. V. Upravlenie vodoraspredeleniem na magistral'nyh kanalah orositel'nyh sistem v sovremennyh usloviyah. Novocher-kassk: OOO «Lik», 2024. 180 s. ISBN 978-5-907708-63-1. EDN CTTFTT.
2. Ol'garenko V. I., Ol'garenko I. V., Pol'skiy A. V., Tihiy S. V. Informacionnye tehnologii planirovaniya vodopol'zovaniya v oroshaemyh hozyaystvah // Melioraciya kak drayver modernizacii APK v usloviyah izmeneniya klimata: Materialy V Mezhdunarodnoy nauchno-prakt. internet-konf. Novocherkassk, 22–24 aprelya 2024 goda. Novocherkassk: Lik, 2024. S. 89-94. EDN JNHZQB.
3. Zlodeev Yu. G., Yalalova G. H. Opytnaya ekspluataciya cifrovoy tehnologii podderzhki upravleniya vodoraspredeleniem na oroshenii // Puti povysheniya effek-tivnosti oroshaemogo zemledeliya. № 4(72). 2018 S. 12–19. EDN: https://elibrary.ru/YPEQXZ.
4. Schedrin V. N., Korzhov V. I., Kozhanov A. L., Cheremisova V. B. Modelirovanie vodnogo rezhima pochv na polyah meliorativnyh sistem dvoynogo regulirovaniya // Melioraciya i gidrotehnika. [Elektronnyy resurs]. 2022. T. 12. № 1. S. 1–17. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec1257-field12.pdf. DOI:https://doi.org/10.31774/2712-9357-2022-12-1-1-17. EDN: https://elibrary.ru/GWLIDT.
5. Korzhov V. I., Belousov A. A. Sredstva imitacionnogo modelirovaniya rezhi-mov vodozabora i vodoraspredeleniya na orositel'noy sisteme pri ispol'zovanii she-my regulirovaniya po verhnemu b'efu // Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2019. № 1(73). S. 132–138. EDN: https://elibrary.ru/LYILQZ.
6. Korzhov V. I., Sorokina O. V., Matvienko G. O., Korzhov I. V. Mobil'nye sredstva podderzhki upravleniya vodoraspredeleniem dlya usloviy real'noy ekspluata-cii orositel'noy sistemy // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2018. № 4 (32). S. 38–59. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec952-field12.pdf. DOI:https://doi.org/10.31774/2222-1816-2018-4-38-59. EDN: https://elibrary.ru/YOZHOH.
7. Korzhov V. I., Sorokina O. V., Korzhova T. V., Matvienko G. O. Variant imi-tacionnogo modelirovaniya vodoraspredeleniya po konturam regulirovaniya // Melio-raciya i vodnoe hozyaystvo. Puti povysheniya effektivnosti i ekologicheskoy bezopas-nosti melioraciy zemel' yuga Rossii. Mat-ly Vseros. nauchno-prakt. konf-cii (Shuma-kovskie chteniya) NIMI imeni A. K. Kortunova. Novocherkassk. 2017. Vyp.15. Ch. I. S. 85–92.
8. Men'shikova S. A., Maksimenko V. P., Evgrafov A. V., Volchkova T. L. Meto-dicheskie polozheniya po obosnovaniyu kolichestvennyh harakteristik elementov vodnogo balansa pri regulirovanii rezhimov vlazhnosti pochvy na osushitel'no-uvlazhnitel'nyh sistemah // Sbor. nauch. trudov: Osnovnye rezul'taty nauchnyh issle-dovaniy instituta za 2018 god. M. 2019. S. 215–221. DOI:https://doi.org/10.37738/VNIIGiM.2020.23.79.017.
9. Yurchenko I. F., Trunin V. V. Metodologiya i komp'yuternaya tehnologiya pod-derzhki resheniy pri operativnom upravlenii vodoraspredeleniem na mezhhozyaystvennyh orositel'nyh sistemah // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. 2012. № 2. S. 6–10. EDN: https://elibrary.ru/OXGZNN.
10. Palau C. V., Arviza J., Balbastre I., Manza№ J. DIMSUB, a computer program for designing microirrigation subunits. Tool definition and case studies // SCIENTIA AGRICOLA. 2020. Vol. 77. № 3. 8 p. DOI:https://doi.org/10.1590/1678-992X-2018-0184. EDN: https://elibrary.ru/OALQEG.
11. Carrión F., Montero J., Tarjuelo J. M., More№ M. A. Design of Sprinkler Irrigation Subunit of Minimum Cost with Proper Operation. Application at Corn Crop in Spain // Water Resources Management. 2014. № 14. Vol. 28. P. 5073–5089. https://doi.org/10.1007/s11269-014-0793-x. EDN: https://elibrary.ru/ALAJIE.
12. Schedrin V. N., Kozhanov A. L., Korzhov V. I., Korzhov I. V. Osobennosti mo-delirovaniya raspredeleniya vodnyh resursov na sistemah dvoynogo regulirovaniya vodnogo rezhima pochv // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. № 3. 2022. S. 31–35. DOI:https://doi.org/10.32962/0235-2524-2021-6-38-43. EDN: https://elibrary.ru/YKAXRS.
13. Kozhanov, A. L. Modelirovanie rezhimov raspredeleniya vodnyh resursov meliorativnyh sistem dvoynogo regulirovaniya / A. L. Kozhanov // Melioraciya i vod-noe hozyaystvo. 2024. № 3. S. 28-36. DOIhttps://doi.org/10.32962/0235-2524-2024-3-28-36. EDN EBJDXQ.
14. Rogachev D. A., Yurchenko I. F. Modelirovanie i optimizaciya sistemnogo vodoraspredeleniya v usloviyah deficita vodnyh resursov // International agricultural journal. 2022. № 5. S. 474–491. DOI:https://doi.org/10.55186/25876740_2022_6_5_31. EDN: https://elibrary.ru/MQNTRQ.
15. Kozhanov A. L. Obzor osushitel'no-uvlazhnitel'nyh sistem s maksimal'nym ispol'zovaniem vozobnovlyaemyh prirodnyh resursov // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii. 2020. № 2(38). S. 105–123. DOIhttps://doi.org/10.31774/2222-1816-2020-2-105-123. EDN VJNPAG.
16. Kozhanov A. L. Modelirovanie rezhimov raspredeleniya vodnyh resursov me-liorativnyh sistem dvoynogo regulirovaniya v konture «gruppa vodopotrebiteley» // Melioraciya i vodnoe hozyaystvo. № 3. 2022. S. 31–35. DOI:https://doi.org/10.32962/0235-2524-2022-3-31-36. EDN: https://elibrary.ru/YKAXRS.
17. Kisarov O. P., Povorov V. A., Kancurov A. A. Dispetcherskoe regulirovanie vodoraspredeleniya po raschetnomu prirascheniyu ob'emov // Vestnik sel'skohozyaystvennoy nauki. Vyp. 2. M.: Agropromizdat, 1986. S. 131–134.
