Россия
УДК 626.824 Распределение воды. Регулирование расхода воды. Водооборот. Повторное использование воды
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.06.01 Сельское хозяйство
ББК 40 Естественнонаучные и технические основы сельского хозяйства
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003050 Agriculture / Irrigation
Цель: разработка научно-методического и инженерно-технического обеспечения для создания и практического применения комплекса средств информационно-технологической поддержки задач планирования водопользования на мелиоративных системах. Материалы и методы: задачи, связанные с организацией и проведением водопользования на гидромелиоративных системах, должны быть, с одной стороны, соотнесены с задачами, решаемыми аграрными хозяйствами, а с другой стороны – с целями всего водохозяйственного комплекса региона. В современных условиях эффективность выполнения этих задач можно значительно повысить, применяя передовые средства и технологии, использовать вариантное моделирование и оптимизацию процессов планирования и управления, а также автоматизировать трудоемкие и повседневные операции. Результаты: в ходе исследований, проведенных в 2024 г. на Лаишевской оросительной системе в Республике Татарстан в рамках Государственного контракта № 173/20‑ГК, внедрен «Информационно-вычислительный комплекс для планирования водопользования при работе с мелиоративно-водохозяйственными системами». В рамках проекта разработана методика и алгоритм использования водных ресурсов с применением IT-технологий, а также создана уникальная структура информационного обеспечения и правила взаимодействия с этими инструментами. Данный комплекс предоставляет интерактивный интерфейс, который наглядно отображает схему оросительной системы и позволяет пользователям оперативно взаимодействовать с ее элементами. Автоматизация работ, связанных с водопользованием, позволила обеспечить системный подход к проблеме, повысить качество и оперативность принимаемых решений, использовать более точные методики расчета и обработки результатов измерений. Все это позволило повысить эффективность эксплуатации мелиоративной системы и ее элементов, в целом. Вывод: алгоритм, разработанный для моделирования планирования водопользования, учитывает существующую технологию планирования на оросительных системах и позволяет решать задачи, которые ранее были невозможны без информационной и технологической поддержки. НаЛаишевской оросительной системе в Республике Татарстан была проведена проверка этих инструментов планирования, подтвердившая их перспективность и необходимость дальнейшего усовершенствования и развития
средства информационно-технологической поддержки, эксплуатация оросительных систем, водопользование, водораспределение, водопотребитель, управленческие задачи, эффективность водопользования
Функционирование гидромелиоративных систем значительной мерой опирается на процессы водопользования. Именно водопользование определяет набор эксплуатационных, технических, финансово-экономических и других мероприятий, необходимых для оптимальной работы системы. Оно во многом формирует состав мероприятий, которые должны быть осуществлены для поддержания эффективного функционирования системы. При этом задачи, стоящие перед организацией и реализацией водопользования, неоднозначны и сложны. Они требуют принятия научно обоснованных управленческих и инженерных решений, а также оперативного их выполнения, автоматизации сложных и рутинных процессов. Современные технологии, особенно информационные технологии, способны значительно повысить эффективность выполнения этих задач в сегодняшних условиях [1]. Организация водопользования в рамках гидромелиоративной системы должна, с одной стороны, соответствовать целям агропроизводителей, а с другой – задачам водного комплекса региона. Это требует принятия обоснованных решений на основе научных и технических знаний и их быстрой реализации.
В современных условиях важной задачей повышения эффективности функционирования мелиоративных систем является разработка мер по созданию информационно-технологической поддержки для их эксплуатации. Для создания таких средств необходимо привлечь широкий круг специалистов. Их усилия следует направить на разработку научного, инженерного и методического сопровождения задач эксплуатации мелиоративных систем [2]. План по водопользованию служит основным инструментом, определяющим порядок извлечения воды из источника орошения и ее распределение между пользователями. Кроме того, он охватывает все аспекты работы мелиоративной системы и взаимодействующих с ней организаций. На самом деле, этот документ не только регулирует процесс забора и распределения воды для орошения, но также затрагивает все аспекты деятельности гидромелиоративной системы и связанных с ней учреждений и служб. Разработка системных планов водопользования, во многом, определяется теми техническими, ресурсными, научными и другими возможностями, которые фактически имеются на гидромелиоративных системах на момент проведения работ. В то же время должны учитываться и те особенности, которые, так или иначе, могут повлиять на процесс планирования [3]. Основу системного плана водопользования составляют внутрихозяйственные планы полива, разрабатываемые на основе информации о проектных режимах орошения сельскохозяйственных культур для данного региона. Такой подход дает лишь общее представление о проведении поливов в течение вегетационного периода, не отражает истинной динамики влагозапасов в почве, не учитывает реально складывающихся агроклиматических условий и связанных с ним эксплуатационных режимов орошения. Составление внутрихозяйственных планов водопользования требует дополнительных усилий со стороны водопользователей. Но в настоящее время их, в первую очередь, интересуют вопросы получения прибыли от производства продукции на орошаемых землях, а не технологии обеспечения этих земель оросительной водой. Поэтому, зачастую, возникает проблема достоверности и достаточности данных, требуемых для разработки научно обоснованного системного плана водопользования. Материалы и методы. В соответствии с действующей методикой составления системного плана водопользования, хозяйства должны подавать в организации, обеспечивающие эксплуатацию гидромелиоративной систем, рассчитанные внутрихозяйственные планы водопользования. Однако на практике внутрихозяйственные планы полива, чаще всего, рассчитываются в управлениях оросительных систем на основе сложившегося опыта работы и полученной от хозяйств информации о структуре посевных площадей. Комплектование системного плана водопользования осуществляется на основе информации о внутрихозяйственных планах водопользования. При формировании системного плана водопользования его обязательно увязывают с пропускной способностью межхозяйственных каналов и сооружений, с водообеспеченностью источника орошения. При этом хозяйственные планы полива могут подвергаться корректировке. Для увязки внутрихозяйственных планов с пропускной способностью каналов и сооружений, лимитом забора воды и технической возможностью головного сооружения рассчитываются требуемые объемы водоподачи по всем перегораживающим сооружениям в i-й интервал времени, которые затем проверяются на возможность их реализации. В случае если один из лимитирующих факторов не позволяет обеспечить подачу расчетного объема воды, внутрихозяйственные планы полива сельскохозяйственных культур корректируются [4]. Баланс распределения воды по системе считается установленным, если в любой момент времени для каждого перегораживающего сооружения и главного водозабора выполняется требование: ( , ) ( , ), L L m i, , − ≤ m i V L m i, , ≤ + m i Lm i, 0 05 0 05 (1) где Lm,i – максимально возможный объем воды, м3 , пропущенный через сооружение m за i-й период времени, который определяется либо пропускной способностью сооружения, либо ограничением на забор воды из источника орошения.
Рис. 1. Функциональная структура формирования планов водопользования
Рис. 2. Схема использования моделирования при планировании водопользования на гидромелиоративной системе
Как уже отмечалось, в процессе эксплуатации оросительных систем может возникнуть целый комплекс причин, приводящих к необходимости корректировки системных планов водопользования. Среди основных из них можно выделить: ● вероятностный характер метео- и природно-климатических прогнозов; ● неточность прогноза водоносности источника орошения; ● изменения в структуре посевных площадей; ● изменения эксплуатационных характеристик оросительной сети и сооружений; ● изменения уровня грунтовых вод; ● возникновение аварийной или нештатной ситуации на системе. В связи с этим, при планировании водопользования должно предусматриваться решение задачи оперативной корректировки плана водопользования. Пересчет системного плана водопользования и обновление всех выходных документов должны выполняться по запросу пользователя после того, как он внесет нужные изменения в исходные данные. Оценка современных требований к водопользованию, с одной стороны, и научно-технических возможностей, обеспечивающих управление им, с другой, позволяют уточнить существующие и сформулировать те новые требования к управлению водопользованием на гидромелиоративных системах, которые требуют учета при разработке планов водопользования. Отмечается также, что реализация задач, входящих выше приведенную функциональную структуру требует больших объемов вычислений, имитационного и оптимизационного математического моделирования.
Рис. 3. Топологическая схема Лаишевской оросительной системы (северный участок)
На практике таких расчетов практически не производят из-за отсутствия или несовершенства соответствующих средств информационно-технологической поддержки задач планирования водопользования [5]. Функциональная структура формирования планов водопользования в современных условиях приведена на рис. 1. Моделирование является одним из способов обеспечения эффективности управления разного рода технологическими процессами, техническими средствами, сооружениями, системами. В настоящее время, с появлением современных средств информационно-технологической поддержки, технические возможности моделирования значительно расширились. Что же касается самих моделируемых процессов, то они, в своей основе, остаются теми же, определяются теми же физическими законами, зависимостями, особенностями. А это значит, что состав задач, решаемых с использованием моделирования, как правило, должен соответствовать тем правилам и методикам, которые определены на исходном объекте в данный момент времени [6]. В соответствии с этим имитационное моделирование процессов планирования водопользования на этих стадиях должно обеспечивать его алгоритмическую, информационную и программную поддержку, а также предоставлять дополнительные возможности, которые связанны с согласованием режима источника орошения с планом водопользования, с оперативной корректировкой плана, с оптимизацией плана при дефиците водных ресурсов [7]. Вдобавок к этому создание модели должно позволять гибкое формирование и настройку информационной базы системы в зависимости от организации оросительной сети. Это включает автоматизацию процессов управления, хранения и обработки данных о состоянии каналов, сооружений, поливного оборудования и структуре орошаемых территорий, автоматизированный учет планируемых и фактических показателей водохозяйственной деятельности на оросительной системе, возможность информационного взаимодействия с другими аналогичными системами и системами более высокого уровня, используемыми в отрасли, регионе, стране [8]. Помимо ключевых требований, моделирование процессов управления водными ресурсами должно соответствовать ряду общих условий, характерных для средств информационно-технической поддержки. Это обеспечение точности, надежности и полноты данных на всех этапах обработки, унификация применяемых интерфейсов, возможность восстановления данных в случае их случайной утраты или технических неисправностей.
Рис. 4. Фрагмент рассчитанного плана водопользования
Результаты и обсуждение. В процессе выполнения научных исследований в рамках Государственного контракта № 173/20‑ГК на выполнение прикладных научных исследований проведен анализ решения задач планирования водопользования на гидромелиоративных системах в Российской Федерации. Выявлены особенности решения этих задач в современных условиях. Определены перспективы повышения эффективности использования водных, энергетических и других ресурсов на гидромелиоративных системах за счет использования средств имитационного моделирования процессов планирования и управления водопользованием на них. Сформулированы цели и задачи планирования в условиях использования современных IT-средств и технологий [9]. В процессе выполнения научных исследований разработаны исходные требования к моделированию процессов планирования водопользования на гидромелиоративных системах. Определен состав информационного обеспечения моделирования. Разработана схема и методика использования средств и технологий моделирования при проведении планирования. Проведена апробация разработанных средств планирования водопользования на гидромелиоративных системах Приволжского Федерального округа, доказавшая перспективность их применения и дальнейшего совершенствования и развития [10]. Схема использования моделирования при планировании водопользования на гидромелиоративной системе может быть представлена в виде, приведенном на рис. 2. Разработанные в процессе исследований методики были использованы для решения практических задач по расчету и формированию внутрихозяйственных планов водопользования, составляющих информационную базу для формирования системного плана водопользования по Лаишевской оросительной системе (северный участок) находящиеся в федеральной собственности и на праве оперативного управления в ФГБУ «Управление «Татмелиоводхоз». Оросительная система находится в умеренном климатическом поясе с отчетливо выраженными сезонами года, умеренно суровой снежной зимой и жарким летом. По количеству осадков данный район относится к зоне умеренного увлажнения, их годовое количество, в среднем, составляет 566 мм. На рис. 3 представлена топологическая схема водопользования на Лаишевской оросительной системе, созданная в составе информационно-вычислительного комплекса [11]. Создание топологической схемы гидромелиоративной системы является необходимым и очень важным этапом для дальнейшего правильного функционирования комплекса. Рекомендуется последовательное создание элементов системы, начиная с элемента основного водозабора. Так как расчеты суммарных расходов воды и прочих параметров системы могут вычисляться только последовательно, создание топологической схемы должно быть проведено таким образом, чтобы каждый последующий элемент примыкал к предыдущему. Расчет в системе ведется по ее элементам в целом. После создания всех элементов топологической схемы необходимо внести данные в справочники и задать параметры элементов оросительной системы определяющих настройку на конкретную оросительную систему. Справочники являются исходной информацией для проведения расчетов и формирования последующих документов. Внесение сведений о внутрихозяйственных планах водопользования для каждого конкретного водопользователя осуществляется в несколько этапов, внесение основных и суммарных значений, внесение детализированных значений по декадам, расчет детализированных значений по декадам. После создания записи о культуре и внесения ее основных параметров, есть возможность внести декадные значения о поливных площадях. Для системы достаточно внести только значения площади по декадам. Остальные параметры она может рассчитать сама. Кроме подсчета суммарных значений по водопользователю, в системе предусмотрена возможность просмотра суммарных декадных значений для любого элемента, а также анализ возможности пропуска суммарного расхода через данное сооружение. Для демонстрации процедуры расчета и формирования внутрихозяйственных планов водопользования, составляющих информационную базу для формирования системного плана водопользования, было определено общество с ограниченной ответственностью «Агрофирма «Нармонка» (АФ «Нармонка), расположенное в селе Нармонка Лаишевского района Республики Татарстан. Основным видом деятельности хозяйства, использующим технологии орошаемого земледелия, является выращивание овощей, бахчевых, корнеплодных и клубнеплодных культур. Итоговый план водопользования АФ «Нармонка» сформирован в виде таблицы, фрагмент которой представлен на рис. 4. По результатам внутрихозяйственных планов водопользования всех водопользователей сформирована сводная ведомость плана водопользования по Лаишевской оросительной системе (рис. 5).
Рис. 5. Результаты расчета сводной ведомости плана водопользования
Вывод. Проведенный анализ проблем и перспектив управления водопользованием на гидромелиоративных системах показал, что планирование водопользования было и остается основой эксплуатации гидромелиоративных систем. План водопользования во многом определяет сроки и объемы проведения целого комплекса других работ, связанных с эксплуатацией гидромелиоративных систем: агротехнических работ, работ по техническому обслуживанию и ремонту технических средств и сооружений, работ по охране окружающей среды, мониторингу. Данные о планировании использования водных ресурсов в ирригационных системах являются составной частью информации, используемой региональными, бассейновыми, отраслевыми и прочими управленческими и статистическими органами. Оценка современных требований к водопользованию, с одной стороны, и научно-технических возможностей, обеспечивающих управление им, с другой, позволяют уточнить существующие и сформулировать новые требования к разработке планов водопользования. Однако реализация этих задач требует больших объемов вычислений, имитационного и оптимизационного математического моделирования, активного применения IT-средств и технологий. Для апробации функциональных и эксплуатационных возможностей разработанных средств в качестве объекта-представителя гидромелиоративных систем Приволжского ФО определена Лаишевская оросительная система Республики Татарстан. Использование разработанных средств для расчета показателей водопользования на этих системах показало эффективность их применения и адекватность полученных результатов. Заключение. Предложенный алгоритм моделирования планирования водопользования обеспечивает выполнение существующей технологии планирования на оросительных системах и реализует задачи, ранее невыполнимые без информационно-технологической поддержки. Проведена апробация разработанных средств планирования водопользования на Лаишевской оросительной системе республики Татарстан, доказавшая перспективность их применения, а также дальнейшего совершенствования и развития.
1. Принципы применения информационных технологий при организации и проведении планирования водопользования на оросительных системах /В.И. Ольгаренко, И.В. Ольгаренко, И.В. Коржов, В.И. Ольгаренко // Мелиорация и гидротехника. 2024. Т. 14, № 3. С. 100–115. URL: https://doi.org/10.31774/2712-9357-2024-14-3-100-115.
2. Ольгаренко В.И., Ольгаренко Г.В., Ольгаренко И.В. Оптимизация процессов водопользования на основе методологии ландшафтноэкологического подхода: монография. Новочеркасск: Лик, 2019. 623 с.
3. Правила эксплуатации мелиоративных систем и отдельно расположенных гидротехнических сооружений/В.Н. Щедрин, С.М. Васильев, В.В. Слабунов, О.В. Воеводин, А.Л. Кожанов, А.С. Штанько, С.Л. Жук. Новочеркасск: РосНИИПМ, 2014. 171 с.
4. Ялалова Г.Х., Юрченко И.Ф. Ключевые направления трансформации планирования системного водораспределения // Научные подходы к современному развитию мелиорации земель: сборник научных трудов. М.: ВНИИГиМ имени А.Н. Костякова, 2023. С. 152–159. DOI:https://doi.org/10.37738/VNIIGIM.2023.95.43.015
5. F. Arslan, A. Sawassii, B. Derardja, H. Degirmenci, N. Lamaddalena. The effects of land consolidation projects on pressurized irrigation system design and the cost: A case study from Tьrkiye //Ecohydrology & Hydrobiology. 2023. V 82. Pp. 249–27.
6. A. Kaab, M. Khanali, S. Shadamanfar, M. Jalalvand. Assessment of energy audit and environmental impacts throughout the life cycle of barley production under different irrigation systems. 2024. V. 22. 100357.
7. M. Loo, E.C. Poyato, G. Halsema, J.A. Roudriguez Diaz. Defining the optimization strategy for solar energy use in large water distribution networks: A case study from the Valle Inferior irrigation system, Spain // Renewable Energy. 2024. V. 228. 120610.
8. Юрченко И.Ф. Планирование системного водораспределения: современное состояние и приоритетные направления совершенствования // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13, № 1. С. 184–199.
9. Использование мобильных IT-приложений для решения задач водопользования на внутрихозяйственной оросительной сети /Е.А. Волкова, Д.А. Кудравец, В.И. Коржов, И.В. Коржов // Мелиорация и гидротехника. 2023. Т. 13, № 3.
10. Юрченко И.Ф. Приоритетные направления и мероприятия современной цифровизации в мелиорации // И.Ф. Юрченко // Мелиорация и гидротехника. 2022. Т. 12, № 2. С. 84–100.
11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2023610178. Российская Федерация. Информационно-вычислительный комплекс планирования водопользования при эксплуатации мелиоративно-водохозяйственных систем: № 2022685654: заявл. 20.12.2022: опубл. 10.01.2023 /С.С. Турапин, И.В. Коржов, И.В. Ольгаренко, Т.А. Капустина, В.И. Ольгаренко; заявитель ФГБНУ ВНИИ «Радуга».
