Россия
ВАК 4.1.5 Мелиорация, водное хозяйство и агрофизика
УДК 628.1 Водоснабжение
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
BISAC TEC003000 Agriculture / General
Целью исследований являлась разработка алгоритма моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Система» на мелиоративных системах двойного регулирования для дальнейшей разработки программных или информационных средств. Объектом исследований принят процесс водораспределения на мелиоративных системах двойного регулирования водного режима (МСДР). 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»). Для возможности моделирования в данном контуре разработана схема, включающая 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. Определена исходная информация необходимая для моделирования диспетчерского графика в контуре «Система». На основании схемы и исходных данных разработан алгоритм моделирования диспетчерского графика водораспределения в контуре регулирования «Система» на МСДР. Алгоритм 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». Предложенная система моделирования с разработанным алгоритмом позволяет проводить динамическое управление подачей воды, создать программное обеспечение и программный комплекс информационно-технологической поддержки моделирования режимов регулирования водных ресурсов на МСДР
мелиоративная система, двойное регулирование, моделирование, контур регулирования, водный режим, водные ресурсы, регулирующая емкость
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. Ткачев А. А., Иваненко Ю. Г., Зарубин В. В. Управление водораспределением на магистральных каналах оросительных систем в современных условиях. Новочер-касск: ООО «Лик», 2024. 180 с. ISBN 978-5-907708-63-1. EDN CTTFTT.
2. Ольгаренко В. И., Ольгаренко И. В., Польский А. В., Тихий С. В. Информационные технологии планирования водопользования в орошаемых хозяйствах // Мелиорация как драйвер модернизации АПК в условиях изменения климата: Материалы V Международной научно-практ. интернет-конф. Новочеркасск, 22–24 апреля 2024 года. Новочеркасск: Лик, 2024. С. 89-94. EDN JNHZQB.
3. Злодеев Ю. Г., Ялалова Г. Х. Опытная эксплуатация цифровой технологии поддержки управления водораспределением на орошении // Пути повышения эффек-тивности орошаемого земледелия. № 4(72). 2018 С. 12–19. EDN: https://elibrary.ru/YPEQXZ.
4. Щедрин В. Н., Коржов В. И., Кожанов А. Л., Черемисова В. Б. Моделирование водного режима почв на полях мелиоративных систем двойного регулирования // Мелиорация и гидротехника. [Электронный ресурс]. 2022. Т. 12. № 1. С. 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. Коржов В. И., Белоусов А. А. Средства имитационного моделирования режи-мов водозабора и водораспределения на оросительной системе при использовании схе-мы регулирования по верхнему бьефу // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019. № 1(73). С. 132–138. EDN: https://elibrary.ru/LYILQZ.
6. Коржов В. И., Сорокина О. В., Матвиенко Г. О., Коржов И. В. Мобильные средства поддержки управления водораспределением для условий реальной эксплуата-ции оросительной системы // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2018. № 4 (32). С. 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. Коржов В. И., Сорокина О. В., Коржова Т. В., Матвиенко Г. О. Вариант ими-тационного моделирования водораспределения по контурам регулирования // Мелио-рация и водное хозяйство. Пути повышения эффективности и экологической безопас-ности мелиораций земель юга России. Мат-лы Всерос. научно-практ. конф-ции (Шума-ковские чтения) НИМИ имени А. К. Кортунова. Новочеркасск. 2017. Вып.15. Ч. I. С. 85–92.
8. Меньшикова С. А., Максименко В. П., Евграфов А. В., Волчкова Т. Л. Мето-дические положения по обоснованию количественных характеристик элементов водного баланса при регулировании режимов влажности почвы на осушительно-увлажнительных системах // Сбор. науч. трудов: Основные результаты научных иссле-дований института за 2018 год. М. 2019. С. 215–221. DOI:https://doi.org/10.37738/VNIIGiM.2020.23.79.017.
9. Юрченко И. Ф., Трунин В. В. Методология и компьютерная технология под-держки решений при оперативном управлении водораспределением на межхозяйственных оросительных системах // Мелиорация и водное хозяйство. 2012. № 2. С. 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. Щедрин В. Н., Кожанов А. Л., Коржов В. И., Коржов И. В. Особенности мо-делирования распределения водных ресурсов на системах двойного регулирования водного режима почв // Мелиорация и водное хозяйство. № 3. 2022. С. 31–35. DOI:https://doi.org/10.32962/0235-2524-2021-6-38-43. EDN: https://elibrary.ru/YKAXRS.
13. Кожанов, А. Л. Моделирование режимов распределения водных ресурсов мелиоративных систем двойного регулирования / А. Л. Кожанов // Мелиорация и вод-ное хозяйство. 2024. № 3. С. 28-36. DOIhttps://doi.org/10.32962/0235-2524-2024-3-28-36. EDN EBJDXQ.
14. Рогачев Д. А., Юрченко И. Ф. Моделирование и оптимизация системного водораспределения в условиях дефицита водных ресурсов // International agricultural journal. 2022. № 5. С. 474–491. DOI:https://doi.org/10.55186/25876740_2022_6_5_31. EDN: https://elibrary.ru/MQNTRQ.
15. Кожанов А. Л. Обзор осушительно-увлажнительных систем с максимальным использованием возобновляемых природных ресурсов // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2020. № 2(38). С. 105–123. DOIhttps://doi.org/10.31774/2222-1816-2020-2-105-123. EDN VJNPAG.
16. Кожанов А. Л. Моделирование режимов распределения водных ресурсов ме-лиоративных систем двойного регулирования в контуре «группа водопотребителей» // Мелиорация и водное хозяйство. № 3. 2022. С. 31–35. DOI:https://doi.org/10.32962/0235-2524-2022-3-31-36. EDN: https://elibrary.ru/YKAXRS.
17. Кисаров О. П., Поворов В. А., Канцуров А. А. Диспетчерское регулирование водораспределения по расчетному приращению объемов // Вестник сельскохозяйственной науки. Вып. 2. М.: Агропромиздат, 1986. С. 131–134.
