Оперативне планування поливів на основі адаптивної до ґрунтових умов багатошарової моделі вологоперенесення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук

Інститут гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук

Національний університет водного господарства та природо користування

ОПЕРАТИВНЕ ПЛАНУВАННЯ ПОЛИВІВ НА ОСНОВІ АДАПТИВНОЇ ДО ГРУНТОВИХ УМОВ БАГАТОШАРОВОЇ МОДЕЛІ ВОЛОГОПЕРЕНЕСЕННЯ

Ковальчук П.І., д. т. н.,

Ковальчук В.П., к. т. н.,

Павлюк Н.М., магістр

Анотація

Розроблена модель та програмний комплекс системи оперативного планування поливів на основі багатошарової моделі вологоперенесення, що дозволяє проводити розрахунки стосовно певних по профілю ґрунтових умов.

Annotation

The model and software complex for the watering operational planning system have been elaborated on the basis of the multiple-layer moisture transfer model, that allows to calculate the definite soil conditions according to depth profile.

Виклад основного матеріалу

Постановка задачі. Ефективне використання наявного земельного фонду, управління родючістю ґрунтів в україні передбачає перегляд методологічних підходів до організації землеробства у напрямі оптимізації земле - та водокористування, створення та широкого впровадження у практику землеробства автоматизованих інформаційних технологій прийняття рішень. В таких інформаційних системах, як елемент технології для умов реалізації точного землеробства на меліорованих землях, виникає необхідність більш детального врахування водного режиму ґрунтів, що обумовлено їх специфічними властивостями по профілю ґрунту для даного поля (частини поля). Крім того, система управління поливами повинна забезпечити водоощадливе зрошення та мінімізацію інфільтраційних втрат води.

Такі вимоги може задовольнити розроблена нами система оперативного планування зрошення, яка включає модель управління поливами та базу даних і знань гідрофізичних характеристик ґрунтів. В складі системи наявна багатошарова фізична та відповідна їй математична модель вологоперенесення, яка базується на розв'язуванні диференціальних рівнянь.

Модель управління поливами. В основу моделі покладена неперервна система балансових рівнянь, що включає основне рівняння руху ґрунтової вологи:

, (1)

При наступних крайових умовах. В якості початкової умови прийнятий розподіл вологості в початковий момент часу

 (2)

де відома функція або експериментально одержаний розподіл вологості по осі oz.

Граничні умови на поверхні являють собою результуючий потік алгебраїчної (дорівнює геометричній) суми потоків, або баланс потоків, тобто буде граничною умовою другого роду і запишеться у вигляді

, (3)

де p - потік від випадання дощу чи поливу;

g_b - інтенсивність фізичного випаровування;

g_ih - інтенсивність інфільтрації в ґрунт;

g_k - потік, що йде на споживання коренями рослин, які знаходяться в верхньому горизонті ґрунту.

Оскільки в якості нижньої границі взято ргв, то гранична умова там запишеться

, (4)

Де або вологість повного насичення.

В системах оперативного управління поливами використовується дискретна модель яка складається з різницевих рівнянь, і дає змогу розраховувати вологість ґрунту в кожний момент часу і може бути використана як багатошарова модель [1]. Для вирішення задачі така багатошарова модель вологоперенесення в ґрунтах, складена із системи різницевих балансових рівнянь, дозволяє розраховувати динаміку вологості ґрунту пошарово, а саме:

- за минулий період за даними спостережень та вимірювання опадів, температури, відносної вологості, розрахунків на їх основі сумарного випаровування;

- на прогнозний період, якщо задані прогнозні значення поливів та опадів, розрахункові прогнозні значення сумарного випаровування.

Дана модель описує динаміку стану об'єкта управління на ковзному інтервалі. Крім моделі динаміки в системі управління визначаються також критерії управління, на основі яких визначають управлінські дії.

При оперативному управлінні поливами нами використовується два критерії: екологічний і технологічний.

Управління поливами на основі багатошарової моделі передбачає використання екологічного критерію при виборі поливних норм. Задача вибору поливних норм при управлінні поливами полягає у мінімізації сумарного потоку вологи за межі розрахункового шару при дії комплексу техногенних і природних факторів.

Другим важливим технологічним критерієм оперативного управління поливами є обмеження на режими зрошення [2]. Так, при застосуванні тих чи інших режимів зрошення строки і норми поливу визначаються на основі критерію вологості ґрунту. Для цього в багатошаровій моделі розраховується середня вологість ґрунту в розрахунковому шарі на основі епюри вологості по глибині (рис. 1):

Рис. 1 Управління вологістю ґрунту на основі багатошарової моделі вологоперенесення (пп - передполивний поріг вологості ґрунту, вз - водозберігаючий режим зрошення, бо - біологічно-оптимальний режим)

багатошаровий полив вологоперенесення вологість

, (5)

де вологість ґрунту в і-му шарі; число горизонтів ґрунту, що складають розрахунковий шар h.

Система передбачає підтримку прийняття рішень для забезпечення вологості ґрунту в певних межах в залежності від режимів зрошення.

Реалізація біологічно-оптимальних режимів зрошення забезпечується підтриманням середньої вологості ґрунту в інтервалі.

, (6)

У ресурсозберігаючих режимах зрошення параметри змінюються по фазах розвитку. Критерієм, який свідчитиме про те, задовільна чи незадовільна вологість ґрунту (зокрема, для люцерни другого року) буде середня вологість шару ґрунту товщиною 0,7 м:

, (7)

Або в % об'єму

, (8)

де визначається за формулою (7). При цьому в некритичні фази розвитку нижнє значення передполивного порогу вологості ґрунту, залежно від культури та фази розвитку, може знижуватись.

База даних і знань. Для адаптації системи оперативного управління поливами, було створено базу даних і знань. База даних - іменована сукупність даних, які відображають стан об'єктів і їх відношення в розглядуванній предметній області. База знань - це сукупність систематизованих основних даних, які відносяться до певної області знань, які зберігаються в пам'яті електронно обчислювальної машини (еом), об'єм яких необхідний для рішення заданого кола теоретичних або практичних задач. Розроблена база даних і знань, що включає гідрофізичні характеристики різних ґрунтів і забезпечує ідентифікацію параметрів моделі до конкретних умов поля при використанні моделі оперативного планування поливів

Департаментом сільського господарства сша (usda), на основі застосування моделі ван-генухтена [3] створене програмне забезпечення, яке функціонально пов'язує дані гранулометричного складу та щільності грунту з її гідрофізичними властивостями. Програма “rosetta” базується на напівемпіричній моделі ван-генухтена [3]:

або обернена , (9)

, (10)

де об'ємна вологість ґрунту, повна вологоємність, мінімально можлива вологість; водно-каркасний потенціал; k, k_ф - кофіцієнт вологопровідності і фільтрації відповідно.

Модель (9-10) встановлює взаємозв'язок між гранулометричним складом, щільністю ґрунту та його гідрофізичними властивостями.

Складовими бази даних гідрофізичного забезпечення технологій регулювання водного режиму ґрунтів є гідрофізичні властивості ґрунтів як функціональні зв'язки, а не точкові величини або константи, хоча подібні функції і містять особливі точки - водно фізичні константи: ПВ (повну вологоємність), НВ (найменшу вологоємність), ВВ (вологість в'янення) та ін. Ряди даних обробляються методами математичної статистики а коефіцієнти одержаних регресійних залежностей заносяться до бази даних грунтово-гідрофізичного забезпечення.

Приклади розрахунків поливів за допомогою системи оперативного планування поливів. Система оперативного планування поливу дозволяє проводити розрахунки, як в автоматичному режимі (розрахунок проектних режимів зрошення), так і в режимі водокористувача, тобто прогнозування вологості ґрунту на певний період. Нижче наведено приклад режимів зрошення кормових буряків в автоматичному режимі на 80 днів стосовно погодних умов метеостанції Нижні Сірогози (Херсонська область) на середній рік 50 - процентної забезпеченості з використанням водозберігаючих режимів зрошення. Вологість ґрунту подана в різних шарах (рис. 2), поливи призначаються при передполивній вологості грунту 0,30, що відповідає для даного типу ґрунту 70 % НВ.

Рис. 2 Система оперативного планування поливів та фрагмент розрахунку динаміки вологості ґрунту в різних шарах

Висновки

Запропонована система оперативного планування поливів, що використовує багатошарову модель вологоперенесення є більш ефективною в порівнянні з двохшаровою моделлю, оскільки дозволяє

- більш ефективно і точно розраховувати динаміку вологості ґрунту по шарах;

- адаптувати розрахунки стосовно їх специфічних властивостей по профілю ґрунту для даного поля (частини поля).

Модель системи оперує з базою даних і знань, що дозволяє її використовувати для оперативного планування поливів або в проектних розрахунках в різних погодних умовах та стосовно різних типів ґрунтів (з різними гідрофізичними властивостями).

Література

1. Ковальчук П.І., Ковальчук В.П., Пужай 0.М., Яцик М.В. Еколого-технологічне обґрунтування поливних норм на основі математичного моделювання. //Меліорація і водне господарство. 1996. №83. С. 33 - 40.

2. Ковальчук П.І., Волошин М.М., Ковальчук В.П. Оптимізаційна модель водокористування та її реалізація на основі багатошарової моделі оперативного планування поливів // Наук. вісник ХДАУ БГМФ - 1: Наук.-практ. конфер. ”Еколого-економічні проблеми водогосподарського комплексу півдня України”. Херсон: Айлант, 2003. С. 41 - 43.

3. Глобус А.М. Почвенно-гидрофизическое обеспечение агроэко-логических математических моделей. Л: - гидрометеоиздат, 1987. С. 428с.

4. Rosetta Version 1.0 (Free downloaded program). U.S. Salinity Laboratory ARS-USDA; http://www.ussl.ars.usda.gov

Размещено на Allbest.ru