УДК 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
ГРНТИ 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
ОКСО 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
ББК 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
ТБК 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC LAW102000 Agricultural
Целью исследований являлась разработка алгоритма моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Участок системы» на участках мелиоративных систем двойного регулирования для дальнейшей разработки программных или инфор-мационных средств. Объектом исследований являлся процесс водораспределения на мелиоративных системах двойного регулирования водного режима (МСДР). Инфор-мационное ядро работы составили положения по правилам водораспределения на ме-лиоративных системах и информационным технологиям на автоматизированные си-стемы, методы обработки и систематизации информации. Для моделирования приме-нена методика с выделением контуров регулирования для которых применяют стан-дартные моделирующие средства и алгоритмы. В процессе исследований составлена моделируемая схема управления водораспределением на МСДР с регулирующей емко-стью в контуре регулирования «Участок системы». Определены функции моделирова-ния такие как расчет режимов подачи воды, моделирование режимов забора, транспор-тирования и подачи водных ресурсов, расчет значений регулируемых уровней и их моделирование, а также моделирование сброса воды. На основании этого и определе-ния исходной информации для моделирования разработан алгоритм моделирования распределения водных ресурсов на участке МСДР. Задачей моделирования в данном контуре «Участок системы» является установление режимов подачи водных ресурсов из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника несколькими группами регулирования «Группа водопотребителей». Разработанный алгоритм включает в себя три этапа: подготовка к моделированию, непосредственно само моделирование водо-распределения и подведение итогов результатов моделирования
мелиоративная система, двойное регулирование, моделирование, контур регулирования водный режим, водные ресурсы, регулирующая емкость
Водораспределение на оросительных и системах двойного регулирования – это процесс транспортирования воды по разнообразным водоводам и в конечном итоге подача ее потребителям. При этом способом выдачи может быть, как нормированный, ненормированный так и комбинированный [1].
Для нормированной подачи воды разрабатывают, с учетом плана водопользования, графики водоподачи между водопотребителями, при этом учитывается и наличие водных ресурсов системы. Осуществление снабжения потребителей водой постоянно и без холостых сбросов достигается поддержанием определенного режима, что и является основной задачей управления водораспределением.
При этом в закрытых замкнутых трубопроводных системах данную задачу легко решить путем работы запорно-регулирующей аппаратуры и насосов, но вот на мелиоративных системах за частую используются открытые распределительные водоводы, выполненные в виде лотков или каналов [2–4].
Управление водораспределением в различных каналах является сложной задачей в связи с тем, что в них незначительные скорости течения, при этом во многих оросительных (увлажнительных) частях систем, устраиваемых на различном рельефе, применяются сопрягающие каналы с разнообразными уклонами, а также встречаются неравномерно наполненные участки. Все это говорит о том, что для успешного водораспределения ручное управление практически невозможно, необходимо применять системы автоматизированного управления водораспределением, по возможности без прямого оперативного вмешательства эксплуатанта. При этом эксплуатант выполняет только функции настройки системы, обслуживанием и контроля над ее работой. При этом каналы разделяют перегораживающими сооружениями на участки образующими так называемые бьефы канала [5–7].
В свою очередь в настоящее время происходит сильнейшее развитие компьютерных технологий, электронных гаджетов, все это позволяет выполнять многочисленные расчеты различных параметров и задач касательно мелиоративных систем и сооружений, в том числе проводить моделирование различных процессов и режимов работ [6–9]. При управлении водораспределением как на оросительных, так и на системах двойного регулирования расчет параметров вручную занимает большое количество времени и усилий. Чтобы снизить временные нагрузки необходимо упростить и ускорить процесс расчета параметров водораспределения с разработкой различных программ для ЭВМ. Разработкой различных программ для расчета многообразных параметров и режимов также занимаются и в зарубежных странах [10–11].
Управление водораспределением на мелиоративных системах двойного регулирования (МСДР), имеющих как осушительную, так и оросительную части и использующие свой же накопленный дренажный сток [12–14], является еще более непростой задачей, зависящей от большого числа факторов. В числе таких факторов является анализ большинства параметров, таких как расчет режимов подачи, расчет значений уровней, моделирование различных процессов (транспортирования, подачи, сброса и т. п.) при чем, имеющих не единичное количество вариантов решений [6–7, 15].
В процессе эксплуатации систем двойного регулирования реализация данных процессов требует наличие дорогостоящих программных средств доступных систем поддержки принятия решений. Для решения наиболее мелких задач или процессов более актуальным будет разработка более простых программ. Все это говорит о том, что, рассматривая процесс моделирования распределения водных ресурсов на всей системе более логичным будет моделировать процесс распределения воды по отдельным контурам регулирования [6, 16]. В данной статье будет рассмотрен контур «участок системы».
Исходя из этого, целью настоящих исследований является разработка алгоритма моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Участок системы» на участках мелиоративных систем двойного регулирования с закрытым дренажем с машинным водоотводом и расположением регулирующей емкости (или водоприемника-водоисточника) на более высоких отметках для дальнейшей разработки программных или информационных средств, позволяющих проводить оперативное регулирование водными ресурсами системы.
Материалы и методы. Информационное ядро работы для моделирования режима водораспределения в контуре «Участок системы» составили положения по информационным технологиям на автоматизированные системы, методы обработки и систематизации информации, а также правилам водораспределения на мелиоративных системах.
Для моделирования применена методика с выделением контуров регулирования для которых применяют стандартные моделирующие средства и алгоритмы. При разработке задач моделирования, которые применяются к выращиванию сельскохозяйственной продукции с использованием осушительных и оросительных мелиораций в качестве типового контура регулирования «Участок системы» могут быть приняты несколько севооборотных участков. Данный контур регулирования включат в себя несколько контуров «Группа водопотребителей», представленных водопотребителями в виде мелиорируемых полей. Увлажнение (орошение) в данном случает ведется дождевальными машинами.
Результаты и обсуждение.
В составе МСДР на различных ее участках могут использоваться многообразные принципы распределения и регулирования воды, такие как с применением регулирующих емкостей, перетекающих объемов, регулирование по верхнему бьефу, по нижнему бьефу и т. п. На подавляющем числе оросительных и МСДР в качестве основной может использоваться схема регулирования водораспределения по верхнему бьефу. Исходя из этого, в настоящей работе в качестве примера, демонстрирующего подходы к моделированию в контуре регулирования «Участок системы», был определен условный участок с закрытым дренажем и открытой частью оросительной сети, на котором может применяться принцип регулирования по верхнему бьефу.
Моделируемая схема управления водораспределением по верхнему бьефу на МСДР, с регулирующей емкостью и открытой проводящей оросительной сетью, приведена на рисунке 1.
Приведенная схема включает в себя:
- регулирующую емкость или водоприемник-водоисточник (в виде канала, водохранилища, пруда-накопителя, регулирующей емкости, бассейна регулирования и т.п.) для сбора стока и использования для увлажнения;
- водозаборное головное сооружение (ГС) (насосная станция), регулирующее подачу воду в систему из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника;
- сеть распределительных каналов (либо трубопроводов);
- регулирующие сооружения (РС), применяемые для поддержания заданных уровней воды;
- потребителей водных ресурсов (водопотребители);
- устьевое сбросное сооружение.
Моделирования режимов водораспределения на МСДР с использованием принципа регулирования по верхнему бьефу должно обеспечивать выполнение следующих функций:
- определение (расчет) режимов подачи воды в оросительную часть системы;
- моделирование режимов забора из регулирующей емкости и подачи воды в оросительную часть системы в соответствии с техническими возможностями головного сооружения;
- моделирование режимов транспортирования воды по водораспределительной сети системы;
- расчет значений регулируемых уровней в верхних бьефах регулирующих сооружений системы;
- моделирование режимов поддержания заданных уровней воды в верхних регулирующих сооружениях системы;
- моделирование режимов подачи воды водопотребителям;
- моделирование режимов сброса воды из оросительной части системы или передачи ее другим водопотребителям, использующим другие принципы регулирования.
Для моделирования управления водораспределением на МСДР необходима следующая информация:
а) схема распределения водных ресурсов на МСДР;
б) показатели головного водозабора, такие как:
- число насосных агрегатов n, ед., и их производительность Qна, м3/с;
в) значения уровней, поддерживаемых в верхних бьефах регулирующих сооружений hвб, м.
г) планируемые графики водопотребления водопользователями в контурах регулирования «Группа водопотребителей» и/или «Водопотребители», включающие сроки начала tнач, ч и окончания водопотребления tкон, ч, расходы, забираемые водопотребителями Qв/п, м3/с и интервал (промежуток) регулирования режимов водораспределения Δtрег, ч. На основе исходной информации и принципов водораспределения разработан алгоритм моделирования распределения водных ресурсов на участке МСДР, представленный на рисунке 2.
В соответствии с разработанным алгоритмом управление водораспределением на участке МСДР с использованием регулирования по верхнему бьефу сводится к следующему.
Состав операций при подготовке к моделированию (группа блоков 1–3 «Подготовка к моделированию») следующий:
1. Принимаются, регистрируются и вводятся данные показателей заявок от группы водопотребителей (водопользователей) Qв/п,i, м3/с, на полный предполагаемый интервал моделирования t, ч (блок 1).
2. На основании полученных данных рассчитываются параметры плана распределения водных ресурсов на участке для головного сооружения QГС, м3/с (блок 2). Расход ГС определяется как сумма расходов водопотребителей с учетом КПД оросительной части МСДР [17].
3. Рассчитываются и/или принимаются на основе имеющегося опыта уровни воды, которые нужно выдерживать в верхних бьефах РС (блок 3).
По окончании первых трех этапов приступают к самому процессу моделирования водораспределения (группа блоков 4–13 «Моделирование водораспределения»), который содержит операции, представленные ниже:
1. На основании полученных заявок от водопользователей, в настоящий интервал времени определяются режимы водоподачи контуров регулирования «Группы водопотребителей» и «Водопотребители» (блок 4), а также режимы водоподачи на ГС участка оросительной части СДМР, отталкиваясь от технических характеристик ГС и имитирую включение одного или нескольких насосных агрегатов, состоящий в расчете расхода, который фактически может подаваться в оросительную часть СДМР.
2. Поочередно выбирают все регулирующие сооружения (подгруппа блоков «Регулирование на j-ом регулирующем сооружении», блок 6) и для них производится регулирование уровня воды в верхнем бьефе. Проводится это следующим образом:
- устанавливается значение фактического уровня в верхнем бьефе отобранного сооружения hвб, факт, м, (блок 7).
- определяют отклонение Δhвб,i, м фактического уровня hвб, факт от заданного hвб, зад, м: Δhвб,i = hвб, факт – hвб, зад (блок 8).
3. Тем временем одновременно с данными операциями производится или снижение объема подачи воды нижний бьеф (блок 9) или производится увеличение объема подачи воды в нижний бьеф (блок 10) если фактический уровень оказывается ниже или выше заданного уровня соответственно, что способствует восстановлению появившихся не состыковок (рассогласований).
После выполнения данных операций переходим опять к блоку 7 и проводим дальнейшее регулирование до того момента, пока в верхнем бьефе регулирующего сооружения баланс установится на уровне нуля, т. е. Δhвб,i = 0.
В итоге получения баланса на регулирующем сооружении совершается переход к регулированию на следующем j+1 регулирующем сооружении (блоки 11 и 6).
4. По завершении регулирования работы всех сооружений необходимо провести контроль процесса водораспределения на участке регулирования в границах установленного временного интервала регулирования Δtрег, ч, что отображено в блоках 12 и 13. При этом не производится оперативного вмешательства в данный процесс распределения водных ресурсов.
5. При завершении установленного временного интервала регулирования Δtрег, ч, осуществляется процесс записи (сохранения) результатов и совершается переход к блоку 4 с установлением временного интервала регулирования Δtрег+1, ч и весь процесс моделирования осуществляется заново по всем блокам алгоритма 5–13.
6. По завершении моделирования на всех установленных интервалах регулирования осуществляется процесс подведения результатов моделирования (группа блоков «Результаты моделирования»).
На данном этапе проводятся расчеты суммарных объемов воды в м3, забранные (поданные) водопользователями (водопотребителям) (блок 14) [16], суммарных объемов воды, забранные из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника и поданные в систему (блок 15) [16] и суммарных объемов, сброшенных с участка регулирования, либо переданные на нижерасположенные ярусы системы (блок 16).
На окончательном этапе (блок 17) формируются данные о результатах моделирования (регулирования для контура «Участок системы») для обеспечения возможности их использования на более высоких уровнях управления водораспределение на МСДР (контур регулирования «Система»).
Для визуальной оценки обстановки на системе при моделировании возможно отображение графиков заявок потребителей-водопользователей объемов подачи воды на участок за установленный интервал времени для моделирования в виде пиктограмм, а также отражение мнемосхемы распределительной оросительной части МСДР, которая показывает интерактивное состояние параметров распределения водных ресурсов на участке регулирования (рисунок 3).
Кроме этого, результатами моделирования являются следующие количественные и временные показатели:
- графики забора (подачи) воды на участок;
- графики подачи воды водопотребителям в соответствии с поданными ими заявками на водоподачу;
- рекомендуемые (оптимальные) режимы работы сооружений и оборудования участка системы;
- предупреждения о возможности возникновения аварийных и нештатных ситуаций и т. п.
Для разработки программного обеспечения можно предложить следующий состав главной экранной формы программы моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Участок системы» на МСДР. Блок ввода исходной информации, включающий заявки водопотребителей по интервалам регулирования с указанием расходов, характеристики насосных станций. Ниже расчет суммарного забора воды с графическим отображением расчетных значений. Обязательно необходимо разместить мнемосхему распределительной сети с визуальным отображением расходов водопотребителей и уровней на регулирующих сооружениях.
Основным элементом окно пульта диспетчера, в котором отображаются ячейки выбора интервала регулирования, выводятся данные расходов водопотребителей, режимы работы насосных агрегатов (станций) и центральным узлом управления регулирующими сооружениями. В данном узле необходимо размещение ячеек по каждому сооружению, в которых происходит управление уровнями воды (заданным и фактическим), расходом и управления открытием и закрытием щитами.
Выводы.
Одним из вопросов на мелиоративных системах двойного регулирования является процесс транспортирования воды по разнообразным водоводам (каналам, лоткам, трубопроводам), а также его нормирование. Управление этим процессом является одним из наиболее трудоемких процессов и говорит о том, что для успешного водораспределения ручное управление практически невозможно, необходимо применять системы автоматизированного управления водораспределением, по возможности без прямого оперативного вмешательства человека. При этом чтобы снизить нагрузки необходимо упростить и ускорить процесс расчета параметров водораспределения с разработкой различных программ для ЭВМ. Для этого необходима разработка алгоритмов и моделирование данного процесса. Для облегчения процесса моделирования распределения водных ресурсов на всей системе более логичным принято распределения воды по отдельным контурам регулирования.
Задачей моделирования в данном контуре «Участок системы» является установление режимов подачи водных ресурсов из регулирующей емкости или водоприемника-водоисточника несколькими группами регулирования «Группа водопотребителей», представленных водопотребителями в виде мелиорируемых полей. Увлажнение (орошение) в данном случает ведется дождевальными машинами.
Разработанный алгоритм моделирования режимов водоподачи в контуре регулирования «Участок системы» включает в себя три этапа:
- подготовка к моделированию, включающий в себя введение данных о планах водопотребления в контурах регулирования «Группы водопотребителей», расчеты параметров планов распределения водных ресурсов и значений поддерживаемых уровней;
- непосредственно само моделирование водораспределения, включающее в себя установление режимов подачи водных ресурсов в контуры «Водопотребители» и «Группы водопотребителей», а также на головном сооружении и регулирование на регулирующих сооружениях. Регулирование на сооружениях МСДР заключается в последовательном выборе всех регулирующих сооружений и определении или измерении фактических значений уровней и их анализа и сравнения заданным данным. На данном этапе также проводится контроль процесса водораспределения;
- подведение итогов результатов моделирования, включающее показатели расчета объема воды, поданного водопотребителям, объема воды забранного из регулирующей емкости ил водоприемника-водоисточника, объемы воды, сброшенные из регулируемого участка системы и само формирование данных о результатах регулирования для следующего контура «Управление системой» на МСДР.
Заключение.
Разработанный алгоритм процесса моделирования распределения водных ресурсов для контура «Участок системы» дает возможность в режиме реального времени осуществлять регулирование режимами подачи водных ресурсов из водоприемника-водоисточника или регулирующей емкости через головное водозаборное сооружение за счет управления уровнями воды в обстоятельствах оперативно изменяющихся режимов потребления водных ресурсов в контурах регулирования «Группа водопотребителей» и «Водопотребители» с минимизацией сбросов воды для ее рационального использования на МСДР. Представленный алгоритм позволяет разработать программный продукт, востребованный при эксплуатации МСДР.
1. Сенчуков Г. А. Ландшафтно-экологические и организационно-хозяйственные аспекты обоснования водных мелиораций земель. Новочеркасск, 2001. 354 с.
2. 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.
3. Щедрин В. Н., Коржов В. И., Кожанов А. Л., Черемисова В. Б. Моделирова-ние 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.
4. 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.
5. Коржов В. И., Сорокина О. В., Матвиенко Г. О., Коржов И. В. Мобильные средства поддержки управления водораспределением для условий реальной эксплуа-тации оросительной системы // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиора-ции [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.
6. 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.
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». 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 вод-ного 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.
9. Кожанов А. Л. Конструктивные схемы энергосберегающих осушительных систем двойного регулирования водного режима // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. 2019. № 1(73). С. 27–34.
10. 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.
11. 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.
12. Максименко В. П., Стрельбицкая Е. Б., Соломина А. П., Айриян Н. В. Воз-можности реализации рециклинга на осушительно-увлажнительных системах гумид-ной зоны // Природообустройство. 2016. № 2. С. 87–94.
13. Найденов С. В., Домашенко Ю. Е., Васильев С. М. Обзор водооборотных си-стем на основе гидромелиоративного рециклинга // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации [Электронный ресурс]. 2018. № 2(30). С. 95–111. URL: http:rosniipm-sm.ru/dl_files/udb_files/udb13-rec548-field6.pdf.
14. 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.
15. Юрченко И. Ф., Трунин В. В. Методология и компьютерная технология под-держки решений при оперативном управлении водораспределением на межхозяй-ственных оросительных системах // Мелиорация и водное хозяйство. 2012. № 2. С. 6–10.
16. 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.
17. Коржов В. И., Белоусов А. А. Средства имитационного моделирования ре-жимов водозабора и водораспределения на оросительной системе при использовании схемы регулирования по верхнему бьефу // Пути повышения эффективности орошае-мого земледелия. 2019. № 1(73). С. 132–138.
