GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The aim of the research was to develop an algorithm for modeling the regulation of water resources in the fields of reclamation systems for dual regulation of the water regime of soils (drainage-moistening, drainage-irrigation) in the «group of water consumers» contour (crop rotation plot) for the subsequent development of information and software tools that provide the possibility of operational regulation of water resources on dual regulation systems. The information and methodological basis of work related to modeling the modes of distribution of water resources in crop rotation plots was made up of methods for collecting and processing information, systematization methods, regulatory and technical documents, provisions for the development of information technologies, as well as existing means of information technology support for tasks in land reclamation. The task of modeling was to determine the modes of water supply from a water source (regulating tank, water intake-water source) by a pumping station by controlling the on and off of pumping units of different capacities available on it under conditions of rapidly changing water intake modes in the circuits regulation «Water consumers». The algorithm for modeling water regimes in the control loop «Group of water consumers» (crop rotation area) in the reclamation SDR includes three stages: preparation – input of initial data on water consumption plans in the control loops «Water consumer»; modeling – cost calculation; simulation results – total volumes of water to be supplied to the site, total volumes of water from the control tank or water-receiver-water source, and others. The developed algorithm makes it possible to quickly regulate the modes of water supply from a control tank or a water-receiver-water source by pumping stations by controlling pumping and power units under conditions of rapidly changing water intake modes in the «Water consumer» control loops.
drainage and humidification system, water regime, modeling, water consumer, group of water consumers, crop rotation area, water supply
Введение.
Развитие в современно мире в геометрической прогрессии компьютерных технологий, а также самих электронных устройств как вычислительных, так и многофункциональных в виде различных гаджетов позволяют проводить различные расчеты параметров гидротехнических сооружений, процессов на мелиоративных системах, многообразных задач в области мелиорации, а также позволяют проводить моделирование разнообразных режимов на мелиоративных системах [1, 2].
Расчет параметров регулирования водораспределения как на мелиоративных системах (оросительных, осушительных, системах двойного регулирования) вручную требует больших усилий и времени, в связи с чем необходима разработка программ для ЭВМ, позволяющих упростить и в разы ускорить время расчета различных параметров [3, 4]. Программы для ЭВМ востребованные в мелиоративной отрасли разрабатываются и в других странах [5–8].
Управление распределением водных ресурсов на мелиоративных системах, в том числе и на системах двойного регулирования (осушительно-увлажнительных, осушительно-оросительных), является одним из сложных процессов, зависящим от многих факторов, требующим анализа значительного количества различных параметров и имеющих немалое количество вариантов их решения. В связи с чем для реализации данных процессов необходимо применение программных средств, но в условиях эксплуатации осушительно-увлажнительных систем в настоящее время это затруднено из-за сложности и дороговизны современных систем поддержки принятия решений. Но в свою очередь применение более простых и доступных программных продуктов является боле актуальным для решения многих сравнительно элементарных инженерно-мелиоративных задач [9–11]. В связи с чем в рамках моделирования распределения водных ресурсов на системах двойного регулирования (СДР) в начале необходимо моделировать данные процессы по отдельным контурам регулирования [10] («водопотребитель», «группа водопотребителей», «участок системы» и др.), а только потом и по всей системе. В данном случае в качестве контура «водопотребитель» выступает мелиорируемое поле, а контуром «группа водопотребителей» будет являться севооборотный участок.
Исходя из этого, целью настоящих исследований является разработка алгоритма моделирование регулирования водных ресурсов полях мелиоративных систем двойного регулирования водного режима почв (осушительно-увлажнительных, осушительно-оросительных) в контуре «группа водопотребителей» (севооборотный участок) для последующей разработки информационных и программных средств, обеспечивающих возможность оперативного регулирования водных ресурсов на системах двойного регулирования.
Материалы и методы.
Информационную, а также методологическую основу работ, связанных с моделированием режимов распределения водных ресурсов на севооборотных участках систем двойного регулирования водного режима почв, составили методы сбора и обработки информации, методы систематизации информации, положения по разработке информационных технологий [2], нормативно-технические документы [12], техническая литература по водораспределению на мелиоративных системах [13–15], а также опыт создания и эксплуатации существующих средств информационно-технологической поддержки задач проектирования и эксплуатации осушительно-увлажнительных и осушительно-оросительных систем.
Результаты и обсуждение.
Методика моделирования режимов распределения водных ресурсов на мелиоративных СДР заключается в выделении в структуре водораспределительной сети характерных контуров, таких как «Водопотребитель № 1, 2…n», «Группа водопотребителей № 1, 2…n», «Участок системы № 1, 2…n» и «Система», для которых используют типовые моделирующие алгоритмы и средства.
При постановке задач моделирования применительно к производству сельскохозяйственных культур с использованием водных мелиораций, в качестве типового контура регулирования «Группа водопотребителей» может быть принят севооборотный участок. Он включает в себя несколько мелиорируемых полей (контуров регулирования «Водопотребитель»), подача воды на которые осуществляется с помощью совмещенной насосной станции, а поверхностное увлажнение – с помощью дождевальных машин. Укрупненная схема регулирования на этом участке представлена на рисунке 1 (для наглядности приведено увлажнение круговыми дождевальными машинами).
Рисунок 1 – Укрупненная схема регулирования водных ресурсов в
контуре регулирования «Группа водопотребителей»
В соответствии с существующими конструкциями осушительно-увлажнительных систем для регулирования водного режима используются как местный сток, так и водные ресурсы водоприемника-водоисточника. При этом, поскольку задачи учета возможностей использования внутрипочвенного увлажнения активного слоя почвы учитываются в контуре регулирования «Водопотребитель», то, в дальнейшем, имеет смысл рассматривать используемые для регулирования водные ресурсы интегрированно. Исходя из этого, задача моделирования в данном контуре состоит в определении режимов подачи воды из водного источника (регулирующей емкости, водоприемника-водоисточника) насосной станцией путем управления включениями и отключениями имеющихся на ней насосных агрегатов разной производительности в условиях оперативно изменяющихся режимов забора воды в контурах регулирования «Водопотребители».
Для моделирования режимов регулирования водных ресурсов в принятом выше типовом контуре регулирования «Группа водопотребителей» требуются следующие исходные данные:
– количество водопотребителей 
n, ед.;
– расходы воды, необходимые для регулирования водного режима у каждого водопотребителя Qв/пi, м3/с;
– сроки начала tначi и окончания tконi водоподачи каждому водопотребителю соответственно, дд. чч;
– коэффициенты полезного действия распределительной сети kпдб,i.
– количество насосных агрегатов на насосной станции m, ед.;
– производительность насосных агрегатов Qна,i, м3/с;
– коэффициенты готовности насосных агрегатов к работе kна,i;
– производительность дождевальных машин Qдм,i, м3/с;
– коэффициенты готовности дождевальных машин к работе kдм,i:
– интервал регулирования, принятый на СДР Δtрег, ч.
Алгоритм моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Группа водопотребителей» (севооборотный участок) представлен на рисунке 2.
Алгоритм моделирования в контуре регулирования «Группа водопотребителей» включает в себя три стадии: подготовка к моделированию – непосредственно моделирование – оценка результатов моделирования.
На стадии подготовки к моделированию (группа блоков «Подготовка к моделированию) производятся следующие действия:
1. Вводятся в моделирующую программу данные о планах водопотребления в контурах регулирования «Водопотребители» (мелиорируемые поля): Qв/пi, tначi, tконi по каждому водопотребителю соответственно (блок 1).
Рисунок 2 - Алгоритм моделирования режимов водоподачи в контуре
регулирования «Группа водопотребителей»
(севооборотный участок)
2. Проводится анализ возможностей и готовности оборудования к работе: технических, эксплуатационных, энергетических и т. п. (блоки 2 и 3):
– если по каким-то причинам дальнейшее регулирование водных режимов не может быть обеспечено, проводятся мероприятия по их обеспечению (блок 4);
– если дальнейшее моделирование возможно, то производится переход непосредственно к моделированию режимов водоподачи.
Последовательность действий при моделировании процессов водоподачи (группа блоков «Моделирование водоподачи») сводится к следующему:
1. Рассчитываются расходы, необходимые для поддержания заданных режимов Qв/пi, tначi, tконi по каждому водопотребителю в целом по участку Qуч (блок 5), м3/с:
Qуч = Qв/пi kдм,i k пд,i
2. Рассчитываются расходы насосной станции Qнс, м3/с , необходимые для поддержания Qуч (блок 6):
Qнс = Qнаi kна,i.
3. Оценивается возможность обеспечения режима регулирования водоподачи на участок:
– если режим не может быть обеспечен то, либо изменяется режим работы насосных агрегатов НС (блок 8) и/или дождевальных машин (блок 9), либо корректируется план водопользования (блок 10);
– если режим регулирования обеспечивается, то следует контроль за параметрами регулирования водопользования на участке (блоки 11, 12).
После завершения процесса моделирования режимов водоподачи на участок производится подведение его итогов (группа блоков «Результаты моделирования»).
1. Рассчитываются показатели моделирования водоподачи на участке по всем интервалов регулирования Δtрег,i (блок 13):
- суммарные объемы воды, поданные на участок WучΣ, м3:
Wуч,Σ = Σ i=1n Qуч,i Δtрег,i ;
- объемы воды, забранные из водоприемника-водоисточника (или регулирующей емкости) WнсΣ, м3:
WнсΣ.= Σ i=1m Qна,i Δtрег,i
– время работы каждой единицы дождевальной техники tдм,Σ, и насосно-силового оборудования tна,Σ соответственно, ч:
tдм,Σ = Σ i=1n tдм kдм,i Δtрег,i
tна,Σ = Σ i=1n tна,Σ kна,i Δtрег,i
2. Формируются исходные данные для работы вышестоящего контура регулирования СДР (блок 14).
Для визуальной оценки объемов водоподачи на участок за моделируемый интервал времени они отображаются в виде графиков (рисунок 3).
Рисунок 3 – Пример графика заборов воды из водоприемника-
водоисточника (регулирующей емкости) на СДР, полученного
по результатам моделирования
В связи с тем, что моделируемые режимы регулирования водоподачи для данной группы водопотребителей, во многом, определяются и зависят от их эксплуатационно-технических возможностей, то, кроме показателей, непосредственно определяющих процессы регулирования водоподачи на участке, результатами моделирования являются:
а) графики работы дождевальных машин в течение определенного интервала (рисунок 4):
Рисунок 4 – Пример графиков работы дождевальных машин
в течение интервала регулирования, полученных по результатам
моделирования
б) графики работы насосно-силового оборудования насосной станции, обеспечивающего подачу воды к этим дождевальным машинам (рисунок 5):
Рисунок 5 – Пример графиков работы насосных агрегатов насосной
станции, полученных по результатам моделирования
Разработанный вариант главной экранной формы программы моделирования водоподачи на мелиорируемый участок СДР водного режима представлен на рисунке 6.
Рисунок 6 – Вариант главной экранной формы программы моделирования водоподачи в контуре
регулирования «Группа водопотребителей» на СДР
В предложенном варианте экранной формы программа моделирования водоподачи на СДР в контуре регулирования «Группа водопотребителей» сконфигурирована на мелиорируемый участок, включающий в себя:
– 6 полей севооборотного участка;
– 6 дождевальных машины кругового действия, установленных на каждом из мелиорируемых полей;
– насосную станцию с тремя основными и одним бустерным насосными агрегатами.
Выводы. Одной из основных проблем при выращивании сельскохозяйственных культур на осушенных землях является поддержание оптимальной влажности почвы не только за счет регулирования нормы осушения, но и за счет проведения поливов. На современном этапе развития компьютерных технологий необходима разработка программ, а также моделирование режимов водопотребления как на мелиорируемом поле, так и в типовом контуре регулирования «Группа водопотребитель», в качестве которого принимается севооборотный участок в целом. В данный контур регулирования включает в себя несколько контуров регулирования «Водопотребитель».
Задача моделирования в данном контуре регулирования состоит в определении режимов подачи воды из источника (регулирующей емкости, водоприемника-водоисточника) насосной станцией путем управления включениями и отключениями имеющихся на ней насосных агрегатов разной производительности в условиях оперативно изменяющихся режимов забора воды в контурах регулирования «Водопотребители».
Разработанный алгоритм моделирования водных режимов в контуре регулирования «Группа водопотребителей» (севооборотный участок) в мелиоративной СДР включает в себя три стадии: подготовка – ввод исходных данных о планах водопотребления в контурах регулирование «Водопотребитель» и анализ готовности оборудования к работе; моделирование – расчет расходов по каждому водопотребителю и по участку в целом, расчет расходов насосных станций, оценка возможности обеспечения режима регулирования; результаты моделирования – суммарные объемы воды для подачи на участок, суммарные объемы воды из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника, время работы каждой дождевальной машины и насосно-силового оборудования, а также формируются исходные данные для работы вышестоящего контура регулирования СДР.
Заключение.
Разработанный алгоритм моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Группа водопотребителей» позволяет оперативно проводить регулирование режимов подачи воды из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника насосными станциями за счет управления насосно-силовыми агрегатами в условиях оперативно меняющихся режимов забора воды в контурах регулирования «Водопотребитель». Что в свою очередь позволяет экономить водные ресурсы и рационально их распределять на системах двойного регулирования водного режима. На основе разработанного алгоритма имеется возможность разработки программы для ЭВМ, которая будет востребована различными специалистами при эксплуатации осушительно-увлажнительных и осушительно-оросительных систем.
1. Schedrin V. N. K voprosu sozdaniya elektronnyh baz dannyh po tipovym pro-ektnym resheniyam meliorativnyh sistem i sooruzheniy / V. N. Schedrin, V. I. Korzhov, A. A. Belousov, A. V. Shevchenko, T. V. Matvienko, A. B. Belousov // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2019. № 2 (34). S. 121-136. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec974-field12.pdf. DOI:https://doi.org/10.31774/2222-1816-2019-2-121-136.
2. Kozhanov A. L. Modelirovanie processa komponovki funkcional'nyh modu-ley osushitel'noy sistemy dvustoronnego deystviya // Puti povysheniya effektivno-sti oroshaemogo zemledeliya. 2018. № 4 (72). S. 24-31.
3. Kuznecov O. N., Korzhov V. I., Kozhanov A. L. Struktura bazy dannyh i pro-grammy-spravochnika po rezhimam orosheniya sel'skohozyaystvennyh kul'tur // Puti po-vysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2020. № 3(79). S. 58-63.
4. Kozhanov A. L., Voevodin O. V. Programma dlya rascheta parametrov poperech-nyh secheniy osushitel'nyh kanalov // Puti povysheniya effektivnosti oroshaemogo zemledeliya. 2020. № 1(77). S. 142-148.
5. Lincoln Agritech. What we do? [Elektronnyy resurs]. URL: https://www.lincolnagritech.co.nz/about/what-we-do (data obrascheniya 24.12.2021).
6. Model Maker Systems. IrriMaker consists of numerous functions... [Elektronnyy resurs]. - Rezhim dostupa: http://www.irrimaker.com/irrigation-software-functions, 2019.
7. Palau C. V., Arviza J., Balbastre I., Manzano 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.
8. Carrión F., Montero J., Tarjuelo J. M., Moreno 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, 2019.
9. Korzhov V. I., Sorokina O. V., Matvienko G. O., Korzhov I. V. Mobil'nye sredstva podderzhki upravleniya vodoraspredeleniem dlya usloviy real'noy eksplua-tacii orositel'noy sistemy // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem meliora-cii [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 (data obrascheniya 14.01.2022).
10. Korzhov V. I., Sorokina O. V., Korzhova T. V., Matvienko G. O. Variant imitacionnogo modelirovaniya vodoraspredeleniya po konturam regulirovaniya // Me-lioraciya i vodnoe hozyaystvo «Puti povysheniya effektivnosti i ekologicheskoy bez-opasnosti melioraciy zemel' yuga Rossii». Mat-ly vseross. nauch.-prakt. konf. (Shu-makovskie chteniya) 07-24 noyabrya 2017. Novocherkassk. 2017. Vyp.15. Ch. I. S. 85-92.
11. Yurchenko I.F. Sistemy podderzhki prinyatiya resheniy kak faktor povyshe-niya effektivnosti upravleniya melioraciey // Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo NII problem melioracii [Elektronnyy resurs]. 2017. № 2(26). S.195-209. URL: http://www.rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb4-rec325-field12.pdf (data obrascheniya 17.01.2022).
12. GOST 34.601-90. Informacionnaya tehnologiya (IT). Kompleks standartov na avtomatizirovannye sistemy. Avtomatizirovannye sistemy. Stadii sozdaniya. - Vved. 1992-01-01. - M.: Standartinform, 2009 g. - 6 s.
13. Ol'garenko V. I., Ol'garenko G. V., Rybkin V. N. Ekspluataciya i monito-ring meliorativnyh sistem: uchebnik po spec. «Melioraciya, rekul'tivaciya i ohrana zemel'». M., 2008. 546 s.
14. Schedrin V. N., Korzhov V. I. Sovershenstvovanie tehnologii upravleniya vodoraspredeleniem na otkrytyh orositel'nyh sistemah. M.: CNTI «Meliovodin-form». 1995. 80 s.
15. Bochkarev V. Ya., Churaev A. A., Klishin I. V., Yuchenko L. V., Vaynberg M. V. Vodouchet i vodoraspredelenie na meliorativnyh sistemah: nauch. obzor. FGNU «Ros-NIIPM». Novocherkassk, 2011. 43 s. Dep. v VINITI 28.06.11, № 309-V2011.
