Наукові засади і технологія водозберігаючого превентивного управління водокористуванням на зрошувальних системах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рівненський державний технічний університет

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

06.01.02 - Сільськогосподарські меліорації (технічні науки)

Наукові засади і технологія водозберігаючого превентивного управління водокористуванням на зрошувальних системах

Михайлов Юрій Олексійович

Київ 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті гідротехніки і меліорації (ІГіМ) Української академії аграрних наук (УААН).

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, академік УААН, академік РАСГН КОВАЛЕНКО Петро Іванович, Інститут гідротехніки і меліорації, директор.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент КІР'ЯНОВ Віктор Миколайович, Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри;

доктор технічних наук, професор, чл.-кор. Академії аграрних наук Республіки Бєларусь ЛІХАЦЕВИЧ Анатолій Павлович, Білоруський науково-дослідний інститут меліорації і луківництва, директор;

доктор технічних наук, старший науковий співробітник ЮРЧЕНКО Ірина Федорівна, Всеросійський науково-дослідний інститут гідротехніки і меліорації, завідувач лабораторії.

Провідна установа: Інститут гідромеханіки Національної академії наук України, м. Київ, вул. Желябова, 8/4.

Захист відбудеться "14" червня 2001 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 47.104.01 при Рівненському державному технічному університеті за адресою: м. Рівне, вул. Соборна, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці університету за адресою: 33000, м. Рівне, вул. Приходька, 75.

Автореферат розісланий "26" квітня 2001 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент В.П. Востріков

1. Загальна характеристика роботи

вода зрошення споживання україна

Актуальність теми обумовлена потребою у підвищенні ефективності використання наявного меліоративного фонду, поліпшення екологічного стану сільськогосподарських угідь на зрошувальних системах України за допомогою новітніх науково обґрунтованих технологій водозберігаючого управління водокористуванням та водним режимом територій на зрошувальних системах. Актуальність теми підтверджується Указом Президента України від 23.06.98 р. № 670/98 “Про заходи щодо державної підтримки водогосподарсько-меліоративного комплексу”, а також заключним документом XYII Конгресу Міжнародної Комісії по іригації та дренажу (Іспанія, 1999 р.).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконувалась за державними науковими програмами і тематичними планами Інституту гідротехніки і меліорації, найбільш важливими з яких є: “Розробити науково-технічні основи і комплекс заходів поліпшення використання водних ресурсів і охорони вод”, "Продовольство-95", "Ресурсозберігаюче водокористування в АПК":

Мета досліджень - наукове обгрунтування і розробка новітньої технології водозберігаючого водокористування у зрошуваному землеробстві на засадах превентивного управління міжсистемним і міжгосподарським водорозподілом, водовідведенням, водним режимом територій зрошувальних систем, як процесами стохастичної природи.

Основні завдання досліджень: теоретичні та експериментальні дослідження процесів водокористування, а саме - формування групової водопотреби-нетто зрошуваних культур, водозабору, водоподачі, водовідведення, сумарного надходження зрошувальних та атмосферних вод (далі сумарного водонадходження), водного балансу поверхневих та ґрунтових вод на зрошувальних системах; теоретичне та експериментальне обґрунтування методів та технологій управління водокористуванням при зрошенні, як складним процесом стохастичної природи; розробка технології оперативного випереджаючого (далі превентивного) управління водокористуванням при зрошенні, як процесом стохастичної природи; розробка методу моніторингу водокористування при зрошенні; обґрунтування системи технологічного і комерційного водообліку на зрошувальних системах; управління водним режимом територій в умовах зрошення на основі нормування водопотреби, водовідведення та сумарного водонадходження; внутрісистемне регулювання водоподачі та водовідведення; оцінка економічної ефективності та екологічної безпечності розроблених методів та технологій раціонального управління водокористуванням при зрошенні; обґрунтування напрямів модернізації та реконструкції зрошувальних систем.

Об'єктом досліджень є процеси водокористування і формування водного режиму територій на зрошувальних системах.

Предметом досліджень є міжсистемний і міжгосподарський водорозподіл і водовідведення на зрошувальних системах, структура водоспоживання у зрошуваному землеробстві, баланс поверхневих і підземних вод на зрошуваних та прилеглих до них землях.

Методи досліджень: теоретичні, що спираються на теорію складних систем з основами аналізу та моделювання, теорію імовірностей з основами математичної статистики, теорію оптимального експерименту з основами метрології, теорію формування водного балансу і стоку води; емпіричні, які спираються на багаторічні пасивні експерименти, проведені у дослідно-виробничих умовах на зрошувальних системах півдня України.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що автором теоретично та експериментально обґрунтовано новий напрям водозберігаючого превентивного управління використанням води на зрошувальних системах та водним режимом їх територій, який базується на стохастичній природі факторів, що утворюють ці процеси.

При цьому автором особисто отримані наступні нові наукові положення, що стосуються управління водокористуванням на зрошувальних системах, які вперше виносяться на захист водоподача, водозабір та водовідведення є складними процесами стохастичної природи, які описуються функціями, підпорядкованими нормальному закону розподілення імовірностей, при цьому головна роль у формуванні цих процесів належить поточним випадковим змінам сумарного випаровування та атмосферних опадів на зрошуваних полях, що впливають на режим роботи зрошувальної мережі внаслідок послідовного з'єднання конструктивних ланок зрошувальних систем;

достатньою умовою ефективного водокористування є превентивне управління міжсистемним і міжгосподарським водорозподілом, водовідведенням, сумарним водонадходженням на територію зрошувальних систем на засадах імовірного прогнозу їх режиму із застосовуванням зв'язків між випадковими та детермінованими чинниками, при цьому якість управління, що визначається відповідними показниками, підвищується зі збільшенням площі зрошення до певної оптимальної величини та за умов регулювання скиду води із каналів і водовідведення у спеціально призначених ємностях;

процеси формування водного режиму і водного балансу територій в умовах зрошення є нелінійними, при цьому для кожної зрошувальної системи існує оптимальна величина сумарного водонадходження, близько якої відхилення від норми всіх показників якості управління водокористуванням буде мінімальним;

необхідною умовою ефективного водокористування є нормування групової водопотреби-нетто, втрат води на фільтрацію та стік, водовідведення, сумарного водонадходження, при цьому норми суттєво зменшуються для зрошувальних систем закритого типу, а кероване водовідведення запобігає підтопленню зрошуваних та прилеглих до них земель навіть при значному перевищенні оптимального сумарного водонадходження;

якість управління водокористуванням визначається мінімальними відхиленнями від норми водоподачі-брутто, а також коефіцієнтів, що характеризують: корисне використання зрошувальних, атмосферних і ґрунтових вод; власне зрошувальних вод; водовідведення; водозабезпеченості кореневмісного шару ґрунту продуктивними вологозапасами.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає у створенні водозберігаючих технологій управління водокористуванням при зрошенні, а саме: технології превентивного управління водокористуванням, реалізованої у вигляді автоматизованої системи підготовки рішень для управління зрошенням (АСПРУЗ); технології моніторингу використання водних ресурсів при зрошенні, закріпленій у РДІ 33-02-001-87, а також у ВБН 33-5.5-01-97 та Посібників до нього; технології водообліку на зрошувальних системах.

Результати досліджень, починаючи з 1978 р., впроваджуються в управліннях магістральних каналів та зрошувальних систем України, що підтверджується відповідними документами. Результати досліджень використані при підготовці “Комплексної державної програми розвитку меліорації земель та поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь в Україні в 2001-2005 роках та прогноз до 2010 р." та проекту "Загальнодержавної програми розвитку водного господарства України до 2015 р.".

За результатами виробничої перевірки запропоновані технології дають можливість економити до 20% води та до 15% електроенергії, гарантують сприятливий еколого-меліоративний стан зрошуваних та прилеглих до них земель за рахунок зменшення втрат води на фільтрацію, скиди, стоку колекторно-дренажних вод, зниження рівня ґрунтових вод.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові положення, що виносяться на захист, отримані особисто автором дисертації в процесі багаторічної (1979-2000 рр.) роботи відповідальним виконавцем і науковим керівником по багатьох наукових темах. Автору належить теоретична частина досліджень, постановка експериментів, розробка методів та технологій. Експерименти, їх обробку, виробничу перевірку отриманих результатів автор виконував сам і разом із співробітниками та аспірантами очолюваних ним підрозділів інституту.

Автор виносить подяку науковому консультанту доктору технічних наук, академіку УААН та РАСГН П.І.Коваленку, доктору сільськогосподарських наук І.С.Шпаку, кандидату геолого-мінералогічних наук А.В.Штаковському.

Апробація результатів дисертаційної роботи. Основні наукові положення, розроблені методи, результати експериментальних досліджень обговорювалися на конференціях, семінарах, координаційних нарадах. До основних з них відносяться: “Наукові основи меліорації земель при створенні територіально-виробничих комплексів у Сибірі” (Абакан, 1980); “Підвищення ефективності зрошуваного землеробства на основі нормування водокористування” (Кишинів, 1985); “Біологічні, економічні та екологічні основи нормування водокористування в зрошуваному землеробстві країни” (Дніпропетровськ, 1989); “Зрошувальні меліорації - розвиток, ефективність і проблеми” (Херсон, 1993); “Ефективне використання зрошуваних земель” (урядова нарада в Одесі, 1997); “Нагальні проблеми ліквідації підтоплення грунтовими водами територій міст і селищ міського типу України” (Харків, 1998); "Наукові основи землеробства в умовах недостатнього зволоження" (Київ, 2000), "Управління водними ресурсами у ХХI столітті" (Будапешт, 2000).

У 1997 та 2000 роках деякі науково-практичні результати дисертаційної роботи обговорювалися на щорічних засіданнях Міжнародної Комісії по іригації і дренажу.

Основні науково-практичні результати досліджень увійшли до циклу праць “Теорія та технологія ресурсозберігаючого управління водорозподільними системами і впровадження їх у виробництво”, за який дисертанту у групі співавторів було присуджено Державну премію України в галузі науки і техніки 1998 року (Указ Президента України від 17 листопада 1998 р. № 1256/98).

Публікації. Автор має 53 публікації за напрямом робіт, пов'язаних із темою дисертації. Основні наукові положення, методи, результати експериментальних досліджень, що викладені в дисертації, опубліковані в трьох монографіях, 21 статті, п'яти нормативно-методичних документах, 12 тезах.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація викладена на 313 сторінках тексту комп'ютерного набору і має вступ, сім розділів, висновки, список використаних літературних джерел на 35 сторінках з 385 найменуваннями, додатки на чотирьох сторінках. Текст роботи ілюструється 46 рисунками та 41 таблицею.

2. Зміст роботи

У першому розділі за результатами аналізу літературних джерел сформульовано основні проблеми, що стосуються управління водокористуванням при зрошенні, та шляхи їх вирішення з врахуванням сучасних науково-технічних та соціально-економічних вимог.

Наукові дослідження, що стосуються вирішення проблеми, розглянутої у дисертації, були розпочаті С.І.Харченко та І.С.Шпаком. Цей напрям можна назвати як "розробка методів раціонального використання води у зрошуваному землеробстві на засадах воднобалансових досліджень". Автором дисертації ці дослідження розвинені в напрямі наукового обґрунтування методів і розробки технологій управління водокористуванням і водним режимом територій зрошувальних систем та їх груп в зоні магістральних каналів. При цьому широко використані публікації Коваленка П.І., Штаковського А.В., Остапчика В.П., Києнчука О.Ф., Мессаровича М., Сванідзе Г.Г., Крицького С.М., Менкеля М.Ф., Ромащенка М.І., Гуріна В.А., Кірьянова В.М., Ліхацевича А.П., Лазарчука М.О., Юрченко І.Ф., Яцика А.В., Картелішвілі М.А., Попова В.М., Жовтоног О.І., Смєхнова Ю.Л., Мавлютдінової І.А., Ангутаєва А.Г., Гриня Ю.І., Штангея А.І. та багатьох інших.

Серед загальних проблем у використанні водних ресурсів при зрошенні можна виділити:

природні, а саме, дефіцит якісної води, віддаленість її джерел від регіонів, де рослинництво відчуває щорічний дефіцит вологи, слабка природна дренованість та низька ерозійна стійкість зрошуваних земель, випадковий характер зміни метеорологічних факторів, що обумовлюють стохастичну природу режиму формування дефіциту водоспоживання зрошуваних культур; технічно-технологічні, а саме, значна розгалуженість та протяжність водорозподільної мережі, велика кількість гідротехнічних споруд і дощувальної техніки, недостатня штучна дренованість зрошуваних земель, дефіцит електроенергії, застарілі технології управління водорозподілом і поливами;

економічні, а саме, брак коштів на модернізацію, реконструкцію і навіть поточну експлуатацію зрошувальних систем, а також на охорону і відтворення водних ресурсів, слабкі економічні стимули впровадження ресурсозберігаючих технологій зрошення та управління водорозподільними системами;

екологічні, а саме, погіршення якості води внаслідок її забрудненням, загроза локального підтоплення сільськогосподарських угідь і сільських населених пунктів ґрунтовими водами, збіднення природних рослинних форм ландшафтів, зниження родючості зрошуваних ґрунтів;

адміністративно-організаційні, пов'язані з відсутністю дієвого механізму державного управління використанням, охороною водних ресурсів, адекватного швидким змінам соціально-економічного становища країни.

Головною проблемою коректного наукового забезпечення технологій ефективного управління водокористування при зрошенні є непередбачений характер водоспоживання. До того ж це ускладнюється штучною розірваністю єдиного технологічного процесу управління на міжгосподарський водорозподіл і внутрігосподарське водокористування. В зв'язку з цим необхідна нова теоретична та експериментальна база для розробки новітніх методів та технологій управління водокористуванням на зрошувальних системах як процесом стохастичної природи. При цьому потрібно обґрунтувати систему показників та критеріїв управління водокористуванням, ідентифікувати зрошувальні системи та технологічні процеси на них з відомими, виявити характер та основні закономірності функціонування кожного функціонального рівня систем і технологічно цілісної їх групи.

Пріоритетність проблем, пов'язаних з управлінням водокористуванням постійно змінюється. Наприклад, протягом 1996-2000 рр. умови експлуатації зрошувальних систем суттєво погіршилися. На це наклалися екстремальні погодні умови 1997-1998 рр., які призвели до підтоплення сільськогосподарських угідь і сільських населених пунктів ґрунтовими водами, в чому безпідставно звинуватили зрошення.

В зв'язку з цим, основна наша увага приділена управлінню міжсистемним і міжгосподарським водорозподілом відповідно до зростаючого дефіциту електроенергії при одночасному зменшенні водоспоживання. Розроблялася система управління, яка, перш за все, передбачає суттєву економію електроенергії, платне водокористування.

Припинення нового будівництва зрошувальних систем, брак коштів на модернізацію діючих надали науковому напрямку з раціонального управління технологічними процесами при зрошені особливу актуальність, тому що це найдешевший шлях до зменшення експлуатаційних витрат, економії води та електроенергії, поліпшення еколого-меліоративного стану меліорованих та прилеглих до них земель.

В світі спостерігаються аналогічні тенденції. На XYII конгресі Міжнародної Комісії по іригації і дренажу, що відбувся у 1999 р. в Іспанії, основним напрямком подальшого розвитку меліорації названо модернізацію зрошувальних систем за наступними принципами: врахування технічних, фінансових, соціальних та політичних аспектів; використання некондиційних вод як заходу компенсаційного характеру; ефективний водорозподіл як показник необхідності модернізації.

В основу експериментальних досліджень по дисертаційній темі закладені спостереження за формуванням елементів водного балансу, поверхневого та підземного стоку в усіх ланках типових для України зрошувальних систем.

Актуальність подальшого розвитку систем управління у зрошуваному землеробстві не послаблюється. На зрошувальних системах України найбільш актуальними в цьому напрямку є дослідження, спрямовані на суттєву зміну принципів управління використанням води. Внаслідок стохастичної природи цього процесу на перше місце виходять формальні правила управління. Комп'ютерна техніка використовується в таких системах управління як допоміжний засіб для підготовки декількох варіантів управлінських рішень.

Наукова гіпотеза досліджень. Використання води на зрошувальних системах здійснюється за допомогою великої кількості послідовно з'єднаних у деревоподібній структурі гідротехнічних об'єктів, кожен з яких функціонує автономно і за своїми законами, але в залежності від стану інших об'єктів та системи в цілому. Стан системи та кожного її об'єкту непередбачено змінюється у часі, тому що залежить від багатьох факторів, частина з яких завжди має імовірну природу, а решта є детермінованою, тобто на зрошувальній системі відбуваються процеси стохастичної природи.

Значна складність та багатогранність проблеми вимагає великого об'єму експериментальних досліджень у всіх структурних ділянках типових діючих зрошувальних систем України, а саме на розподільній мережі зрошувальних каналів, зрошуваних сівозмінах, колекторно-дренажній мережі. Вивчення процесів водокористування на зрошувальних системах не повинно бути відірваним від процесів формування структури загальногалузевого водоспоживання у господарстві України та окремих її регіонів.

Зрошення є впливовим фактором у формуванні стану оточуючого природного середовища, тому водокористування потрібно розглядати з позиції його екологічної безпеки. Зрошення є затратною технологією землеробства, яка потребує багато води, енергії та пального, тому водокористування повинно бути водо- та енергозберігаючим.

У другому розділі обґрунтовуються теоретичні підходи та методи досліджень, наводиться характеристика умов їх проведення. Складність проблеми, що розглядається, ставить особливі вимоги до методів та умов досліджень. Використовується дедуктивний метод досліджень на регіональному рівні, та індуктивний на рівні окремих ділянок та об'єктів зрошувальних систем.

За конструктивними та функціональними ознаками зрошувальна система поділена нами на чотири підсистеми: водорозподільну, яка складається із відкритих каналів з б'єфами, обмеженими підпірно-регулювальними спорудами або перекачувальними насосними станціями внутрігосподарську, яка складається із водозабірної споруди або насосної станції на міжгосподарському каналі, мережі відкритих внутрігосподарських каналів або напірних трубопроводів, дощувальних машин; сільськогосподарську, яку утворюють зрошувані поля з культурними рослинами; водовідвідну, яка складається із колекторно-дренажної та скидної мережі, водоприймача. Зрошувальна система, в свою чергу, розглядається як складова великої природно-техногенної системи.

Зрошувальну систему можна представити у вигляді сукупності послідовно з'єднаних підсистем. Між підсистемами відбувається прямий (стрілки, спрямовані проти ходу годинника) та зворотний зв'язок (стрілки, спрямовані за ходом годинника), який описується безперервними функціями зміни у часі рівнів та витрат води (гідрографів). Вихідна функція кожної підсистеми залежить від її поточного та попереднього стану, а також від поточного та попереднього стану інших підсистем, внаслідок чого управління зрошувальною системою можна здійснювати із застосуванням як поточної, так і ретроспективної інформації про зміни у її стані в залежності від впливових факторів.

Особливості структурної побудови зрошувальної системи вже дозволяють ідентифікувати водокористування зі складним процесом стохастичної природи, тому що в ній присутній потужній генератор випадкових збурень у поточному режимі водоспоживання сільськогосподарських культур, обумовлений непередбаченим характером зміни метеорологічних факторів. За такою ідентифікацією водокористування можна моделювати за допомогою емпіричних зв'язків між парами "вхід-вихід" окремих підсистем. Аналітичними виразами цих функцій можуть бути рівняння водного балансу, функції розподілення імовірностей, емпіричні залежності статистичних параметрів рядів спостережень за елементами водокористування від різноманітних факторів природного та штучного походження.

Використані наступні статистичні параметри рядів спостережень за елементами водокористування: середня арифметична величина, середнє квадратичне відхилення, дисперсія, коефіцієнт варіації, коефіцієнт асиметрії, коефіцієнт внутрірядної кореляції. За детерміновані параметри водорозподілу прийняті: площа зрошення, яка пов'язана з кількістю водоспоживачів; гідрологічні характеристики гідрографів водозабору, водоподачі, водовідведення.

При дослідженні стохастичних процесів на зрошувальних системах активний експеримент принципово неможливий. Пасивний експеримент дає частіше неоднорідні ряди випадкових величин. Першою вимогою до результатів такого експерименту є, як відомо, відповідність вибірок генеральній сукупності. Суб'єкт управління водокористуванням - водопостачальник, відкидаючи вірну гіпотезу, відкидає вірне управлінське рішення, приймаючи хибну, він приймає невірне рішення і може завдати шкоди водоспоживачу. Рівень значимості знаходиться, за нашою оцінкою, у діапазоні від 0,10 до 0,20 і є достатнім для прогнозування елементів водокористування.

Експериментальні дослідження по дисертаційній темі засновані на спостереженнях за формуванням елементів водного балансу, поверхневим та підземним стоком у різних ланках зрошувальних систем. Водний баланс можна описати рівняннями, що складаються з двох частин - суми елементів надходження та суми елементів витрат. Алгебраїчна сума надходження та витрат дорівнює величині зміни запасів вологи у балансовому об'ємі. Із зростанням балансового об'єму та тривалості розрахункового періоду кількість елементів водного балансу та його відносна нев'язка зменшуються. Стік води (підземний і поверхневий) є результатом випадкової взаємодії природних та штучних процесів формування водного балансу, тому ряди вимірюваних його величин є стохастичними.

Регіон проведення досліджень розташований в межах Причорноморської фізико-географічної провінції, яка входить у Степову зону Руської рівнини. За нашим районуванням виділено шість підзон з близькими природними умовами формування водного балансу. Річний шар атмосферних опадів становить 320-430 мм, поверхневого стоку - не більше 25 мм, густота гідрографічної мережі - 0,1-,4 км/км2, її глибина - 5-100 м, середньозважений ухил місцевості - 0,1-18‰. Верхня покривна товща ґрунтів представлена четвертинними відкладеннями лесовидних суглинків, які підстилаються пліоценовими глинами - першим регіональним водоупором. Безнапірний водоносний горизонт розвинений у четвертинних відкладеннях, має переважно суцільне розповсюдження. Його води залягають на глибині 1-25 м., мають мінералізацію 1-10 г/л.

Наші дослідження дозволяють класифікувати зрошувальні системи України на три основні типи. Системи першого типу з поливом ДДА-100МА (ЕДМФ "Кубань") побудовані на 30% зрошуваних площ України, мають розгалужену зрошувальну - 20-25, колекторно-дренажну - 10-40 та скидну - 1-7 м/га мережу. Системи другого типу з поливом переважно ДМ "Фрегат" та ДФ "Дніпро" займають біля 68% площі, мають закриту напірну внутрігосподарську зрошувальну мережу довжиною 18-20 м/га при довжині відкритих водорозподільних каналів - 5 м/га, колекторно-скидна мережа розвинена слабо - до 1м/га. До систем третього типу віднесені рисові, які компактно розташовані на узбережжі заток Чорного та Азовського морів і займають невелику площу - 3%, мають розгалужену - 40 зрошувальну, колекторно-дренажну - 40, та скидну - 30 м/га мережу. Експериментами охоплені всі три види зрошувальних систем.

Основний об'єм експериментальних даних отриманий автором в результаті вимірювань витрат та рівня води в каналах та гідрографічній мережі, атмосферних опадів, вологості ґрунту, рівня ґрунтових вод. Первинна обробка даних проводилася методами, звичайними для гідрології суші та гідрометеорології.

Статистична обробка рядів вимірюваних величин велася методами статистичної гідрології за перерахованими вище статистичними параметрами. Емпіричні криві розподілення імовірностей для експериментальних вибірок будувалися за формулою М.М.Чегодаєва після сортування рядів у порядку убування їх членів (для рядів групової водопотреби-нетто - у порядку зростання). Однорідність рядів вибірково оцінювалася за допомогою критеріїв Стьюдента, Вількоксона, Фішера, Неймана.

Закон розподілення імовірностей для емпіричних кривих забезпеченості встановлювався підбором із існуючого класу аналітичних кривих. Для процесів водокористування при зрошенні емпіричні криві забезпеченості найкращим чином узгоджуються з аналітичними логарифмічно-нормальними (лог-нормальними). Значення члену ряду заданої забезпеченості розраховується тоді по формулі

, (1)

де - нормоване відхилення від середнього значення ординат лог-нормальної кривої забезпеченості при ; - середня арифметична ряду; - коефіцієнт варіації; коефіцієнт асиметрії; - задана забезпеченість.

Середньоквадратична похибка воднобалансових та інших сумісних розрахунків оцінювалася по формулі

,

де під коренем наводяться середні квадратичні похибки вимірювання або розрахунку кожного елементу водного балансу із k.

При обробці експериментальних даних та їх узагальненні широко застосовувалися можливості персонального комп'ютера та його стандартного програмного забезпечення (Microsoft Excel 97, Costat, Maple 6, Mathcad 8).

У третьому розділі за результатами експериментальних досліджень доведено стохастичну природу основних елементів водокористування на зрошувальних системах при поливі дощуванням. Водокористування при зрошенні є керованим процесом, який охоплює водозабір із джерел зрошення, транспортування води і розподіл її між споживачами, переведення води із стану течії в ґрунтову вологу, відведення зайвих поверхневих і ґрунтових вод у водоприймачі. Управляючі дії при водокористуванні проявляються у вигляді зміни напрямку та інтенсивності потоку води в межах зрошувальної системи. Управління процесом водокористування, як відомо, повинно мати таку послідовність логічних і технологічних операцій: прогноз - план - реалізація - контроль. Ієрархічна структура інформаційної мережі співпадає із структурно-функціональною ієрархією.

Природні процеси у водокористуванні займають верхню ієрархічну ступінь і за своєю непередбачуваністю сильно ускладнюють управління ним. З другого боку, масштабність і потужність природних процесів нівелюють похибки в управлінні водокористуванням.

Десь з 1949 по 1993 роки технології управління водокористуванням на зрошувальних системах України базувалися на внутрігосподарських і системних планах водокористування, розробці яких присвячено багато робіт Н.О.Костякова, С.М.Алпатьєва, Н.О.Орлової, М.Ф.Натальчука та ін. Основою планів була водопотреба-нетто зрошуваних культур певної проектної забезпеченості. Внаслідок того, що поточна забезпеченість поливних сезонів була нижче проектної, спостерігався зайвий водозабір на зрошувальні системи та велике водовідведення з них.

Надалі методи прогнозування водопотреби удосконалювались групою вчених під керівництвом В.П. Остапчика. Так, Г.С. Фініним був запропонований мінімаксний метод, більш адекватний імовірнісній природі процесу формування водопотреби сільськогосподарських культур. Цей метод закладений у останні покоління інформаційно-обчислювальної системи (ІОС) “Полив”, яка вирішує всі основні питання оперативного планування поливів.

Внутрігосподарське водокористування повинно бути забезпечене якісним міжгосподарським водорозподілом. На більшості зрошувальних систем ця проблема вирішується сьогодні, нажаль, дуже спрощено. Канали перетворюються на рукотворні річки, вода з яких черпається за потребою, а решта її скидається. Звичайне управління водорозподілом при цьому реалізується шляхом регулювання рівнів води у верхньому б'єфі підпірно-регулювальних споруд (ПРС). Диспетчери через певні інтервали регулюють ПРС так, щоб забезпечити потрібні витрати води, величина яких встановлюється підсумком заявок, що надходять від водоспоживачів.

При розробці власного методу управління водокористуванням нами за математичну модель прийнято рівняння водного балансу за певні інтервали часу, яке за нашими дослідженнями нелінійне і має неявний вид.

Для зрошувальної системи в цілому

(2)

де - сумарне надходження зрошувальних вод та атмосферних опадів; сумарне випаровування; фільтрація; поверхневий стік; зміна (різниця між кінцевими та початковими) запасів вологи у кореневмісному шарі грунту.

При

що характеризує групову водопотребу-нетто для зрошення,

. (3)

Елементи лівої частини (3) відображають природні складові водокористування, правої - похідні від них штучні, пов'язані з управлінням водокористуванням.

Групова водопотреба-нетто для зрошення - це кількість поливної води, потрібної для покриття дефіциту сумарного випаровування сільськогосподарськими рослинами на зрошуваних сівозмінах. Процес її формування має стохастичну природу, на нього впливає багато одночасно діючих факторів переважно випадкового характеру. За нашими оцінками варіація місячних величин водопотреби-нетто у зоні зрошення в Україні коливається від 29% у липні до 150% у березні.

Спостерігається тісний зв'язок між сезонними величинами водопотреби-нетто та атмосферних опадів (r - 0,7 при Хп - 330 мм), який можна використовувати у практичних цілях. Ряди водопотреби-нетто підкоряються лог-нормальному закону розподілу імовірностей (1).

Стохастична природа водозабору із каналів встановлена нами за результатами експериментальних досліджень. Вона проявляється випадковістю амплітуди внутрідобових коливань водозабору. Варіація рядів інтенсивності зростання водозабору (збурень водозабору) із каналів споживачами становить 29-54%, асиметрія - 24-94%, коефіцієнт автокореляції - 0,25-(-0,08). Середньоарифметичне рядів збільшується із зростанням площі зрошення, а автокореляція знижується, тому що підвищується роль випадкових факторів. Емпіричні криві забезпеченості інтенсивності зростання водозабору найкраще узгоджуються з лог-нормальним законом розподілу імовірностей (1).

Стохастична природа скиду води із каналів доведена нами за результатами експериментальних спостережень на зрошувальних системах України усіх трьох типів. Статистичні параметри рядів величин прибуткового дисбалансу між водоподачею та водозабором, внаслідок якого виникають скиди води із каналів, характеризуються варіацією у 80-115%, асиметрією у 141-187%. Автокореляція рядів становить 0,38-0,64, що значно більше від такої для від'ємного дисбалансу - 0,8-0,13, причому вона послабшає із зростанням площі зрошення. Емпіричні криві забезпеченості відносної величини дисбалансу водоподачі і водозабору підпорядковуються лог-нормальному закону розподілу імовірностей (1).

Стохастична природа скиду води підтверджується також результатами статистичного аналізу рядів вимірюваних їх величин. Для різних каналів зрошувальних систем України варіація рядів коефіцієнтів скиду води становить 41-87%, асиметрія - 37-204%, коефіцієнт автокореляції - 0,11-0,56. Величина коефіцієнту скиду води із каналів зростає із зменшенням площі зрошення та кількості одночасно працюючої дощувальної техніки.

Застосування відомого апарату математичної статистики для перевірки нуль-гіпотези про належність рядів скиду води із каналів до однієї генеральної сукупності та на їх випадковість довело, що режим скиду води із каналів має два різнорідних періоди: початку і закінчення поливів, інтенсивного їх проведення. Майже в усіх випадках статистичні критерії спростовують нуль-гіпотезу, або підтверджують її на грані допустимого, що вказує на суттєву роль детермінованих складових у процесі формування водорозподілу в каналах. Найбільш підходящим рівнем значимості у статистичних оцінках є 0,10-0,20.

Однорідність рядів є рідкісним явищем. Однорідними можна вважати ряди скидів із внутрігосподарських каналів з поливом однотипними дощувальними машинами. Це вказує на необхідність особистого підходу до управління водорозподілом, обережності при перенесенні статистичних параметрів, отриманих для одного каналу, на інші.

У деяких міжгосподарських каналах на перекачувальних насосних станціях відбуваються цілеспрямовані скиди води із напірного басейну в аванкамеру. Ряди коефіцієнта внутрісистемного скиду із каналів мають варіацію у 38-118%, асиметрію у 8-130%, в тому числі від'ємну, та значну автокореляцію - 0,42-0,82.

Стохастична природа основних елементів, що складають процес водокористування при зрошенні, докорінно змінює підходи до управління водорозподілом, поливами та водовідведенням.

У четвертому розділі наводиться методика та технологія управління водокористуванням на зрошувальних системах як процесом стохастичної природи. Управління водокористуванням, як процесом стохастичної природи, починається імовірним прогнозом його елементів. Норма групової водопотреби-нетто прогнозується відомими методами. Прогнозування міжсистемного водорозподілу спирається, за нашим методом, на типові гідрографи водозабору із каналів, для побудови яких використовуються ретроспективні ряди даних про фактичний режим роботи каналів.

Прогнозний об'єм добового водозабору по водовиділах у господарства пропонуємо розраховувати по формулі

,

де mн(t) - водопотреба-нетто; - питома вага площі полів на зрошуваній сівозміні з однотипними за водоспоживанням культурами.

Через добовий об'єм водозабору визначається максимальна витрата води - , а через неї вибирається типовий добовий гідрограф водозабору у інформаційно-довідковій базі. На підставі прогнозних даних про режим водозабору розраховується прогнозний гідрограф водоподачі через головну споруду каналу і в його б'єфи, для чого гідрографи водоподачі зсуваються паралельно гідрографів водозаборів ліворуч на величину часу транспортного запізнення витрат води.

Планування внутрігосподарського водокористування полягає у визначенні строків та норм поливів за відомими (В.П.Остапчик, О.І.Жовтоног, А.П.Ліхацевич та ін.) методами. Воно є бажаною але не обов'язковою умовою превентивного управління водокористуванням. Внутрігосподарське водокористування розглядається нами як “чорний ящик”.

При плануванні водорозподілу необхідно враховувати імовірний характер коливань водозабору із каналів внаслідок особливостей групової роботи дощувальної техніки (О.В.Шевченко, В.А.Гурін, Ю.О.Михайлов та ін.). Пропонується користуватися коефіцієнтом

який характеризує питому вагу одночасно працюючих дощувальних машин у їх групі та завантаження насосної станції підкачування (НСП). На рис. 2 видно, що цей коефіцієнт зростає разом з максимальною витратою води при її водозаборі. Чим більше площа зрошення, тим при менших витратах води наступає відносна стабілізація коефіцієнту на рівні 0,65-0,85, що пояснюється більшою кількістю одночасно працюючих дощувальних машин. За відомим та обчислюється середньодобова витрата води, відповідно якій встановлюється оптимальна кількість та продуктивність насосних агрегатів, що повинні забезпечити цю витрату. Через цю витрату уточнюється добовий об'єм водоподачі, а через нього прогнозні гідрографи водозабору та водоподачі за наведеним у дисертації алгоритмом.

Планування режиму роботи головних і перекачувальних насосних станцій полягає у визначенні строків перемикання насосних агрегатів. Потрібні витрати води для головної насосної станції на певний момент часу дорівнюють сумі витрат водозабору з б'єфів каналу з врахуванням їх транспортного запізнення -, тобто

.

Нами розроблено автоматизовану систему підготовки рішень з превентивного управління зрошенням (АСПРУЗ), яка повністю враховує стохастичну природу водокористування. АСПРУЗ складається з трьох підсистем - “Полив”, “Гідрограф”, “Контроль”.

Підсистема “Полив” вирішує завдання прогнозування та планування на певний строк добових об'ємів водозабору по водовиділах. Алгоритм розрахунків базується на методиці І.С. Шпака щодо визначення сумарного випаровування. Підсистема формує таблицю, де наводяться строки та норми поливів, добові об'єми водоподачі на окремі поля та сівозміни. Підсистема “Гідрограф” призначена для підготовки рішень з управління міжгосподарським та міжсистемним водорозподілом і формує у табличній та графічній формі за наведеними вище методами гідрографи водозабору та водоподачі для каналів. Підсистема "Контроль" виконує аналіз водокористування за п'ятьма показниками та критеріями і дозволяє корегувати план водокористування.

Підсистема "Контроль" складається з методів: оцінки водного балансу зрошуваних земель; розрахунку показників і критеріїв водокористування; аналізу стану водокористування.

Водний баланс розраховується за рівнянням (2). Сумарне випаровування обчислюється будь-яким відомим методом з врахуванням дефіциту вологи в ґрунті. Фільтрація розраховується по формулі

де - коефіцієнти корисної дії зрошувальної мережі та поля; питома площа польових і рисових сівозмін.

Сумарний поверхневий стік обчислюється по формулі

Якщо , стоку немає, а сталося спрацювання запасів вологи у кореневмісному шарі грунту, тобто

.

Система показників водокористування складається із відхилень від нормативних фактичних значень водоподачі-брутто () та чотирьох коефіцієнтів, що кількісно характеризують: корисне використання зрошувальних, дощових та грунтових вод (ККВВР - ), тобто водних ресурсів, що формуються в межах зрошувальних систем; корисне використання власне зрошувальної води (ККВЗВ - ); водовідведення (КВВ - ); забезпеченість кореневмісного шару грунту продуктивними вологозапасами (КВЗ - ). Розрахунки виконуються за наступними формулами.

Спочатку обчислюється нормативна водоподача

,

,

,

, , ,

де - оптимальне випаровування при відсутності дефіциту вологи у грунті.

Наведений алгоритм оцінки водокористування найбільш пристосований для великих інтервалів часу та значних за площею зрошення об'єктів, для інших умов він є більш складним і наводиться у дисертації. Основним чинником відхилення від норми фактичних значень показників водокористування є зайве надходження зрошувальної води на системи. Криві на рис. 3 свідчать про недостатній рівень управління системним водокористуванням на зрошувальних системах України, тому що відхилення фактичної водоподачі від нормативної значно перевищують допустимі ±10%.

У п'ятому розділі обґрунтовуються основні вимоги до експлуатації зрошувальних систем, що забезпечують водозберігаюче превентивне управління водокористуванням. Однією із головних експлуатаційних вимог є водооблік. Методам та засобам водообліку на зрошувальних системах присвячено багато робіт (Н.О.Орлова, В.Є.Краснов, О.Ф.Києнчук, В.Ф.Малярчук, Ю.О.Михайлов та ін.). Відкритим залишалося питання щодо оптимізації технологічної схеми водообліку - розміщення гідрометричних створів і постів на зрошувальній і колекторно-скидній мережі.

Звичайна технологічна схема водообліку будується, як правило, за послідовною схемою, відповідно якій гідрометричні створи розміщуються на всіх гідротехнічних спорудах і насосних станціях. Автором запропонована більш економічна балансова схема водообліку, за якою гідрометричні створи розміщуються на межах ділянок відкритих розподільних каналів і трубопроводів з групою водовиділів одному споживачу.

Сумарна витрата води на ділянці каналу або трубопроводу з водовиділами дорівнює за балансовою схемою - , за послідовною - Виходячи з цього, якщо водовиділів у послідовній схемі водообліку згрупувати у балансових ділянок, кількість гідрометричних створів зменшиться в разів.

Воднобалансова схема водообліку суттєво скорочує кількість гідрометричних постів, а сумарна похибка вимірювань зменшується. За цією схемою обчислюється русловий водний баланс кожної ділянки каналу, завдяки чому можна виявити пости з великою похибкою водообліку, а допустиму нев'язку балансу розкидати між постами пропорційно витратам водозабору.

Русловий водний баланс ділянки каналу на рис. 4 можна описати рівнянням

,

де умовні позначки аналогічні формулам та рисунку, наведеним вище, індекси вказують на ділянки каналу, розташовані відповідно вище та нижче створу .

При визначенні гідрометричних властивостей підпірно-регулювальних та водовипускних гідротехнічних споруд нами пропонується застосовувати поліномінальні рівняння, які пов'язують витрати води з висотою відкриття затворів, рівнем води у верхньому та нижньому б'єфах споруд та перепадом цього рівня. За нашими експериментальними дослідженнями на Північно-Кримському каналі така методика забезпечує достатню похибку (2-7%) розрахунку витрат води.

Цей метод дозволяє також визначити найбільш оптимальні режими роботи гідротехнічних споруд, за якими їх водомірні властивості є найвищими.

При управлінні водорозподілом, в тому числі із застосуванням автоматизованих систем, неможливо повністю уникнути періодичного перевищення водоподачі над водозабором, тому для запобігання скидів надлишків води потрібно зарегулювати їх у руслі каналів. Більшість відомих методів розрахунку об'єму регулювання не враховує стохастичної природи водоподачі в канали та водозабору із них. Нами пропонується метод, за яким ємність регулювання (тис. м3) обчислюється на задану забезпеченість (імовірність перевищення) за формулою

,

де - інтенсивність збурення у водозаборі із каналу заданої забезпеченості, м3/с2; -тривалість цього збурення, с, яка, в свою чергу, розраховується по формулі.

,

.

Чим більша площа зрошення та менша розрахункова імовірність збурення у водозаборі, тим більше об'єм руслової регулюючої ємності. Об'єм, потрібний для регулювання збурень водозабору імовірністю менше 5% (це становить 11 діб за поливний сезон тривалістю 220 діб), вже мало залежить від площі зрошення і є максимальним. Для збурень імовірністю понад 80% об'єм регулюючої ємності буде мінімальним незалежно від площі зрошення. Регулювання в руслі каналів збурень водозабору забезпеченістю менше 30% економічно недоцільне, тому що це потребує будівництва значних ємностей, які протягом 60-70 днів поливного сезону не будуть задіяні.

Стохастична природа процесу формування скидів води із зрошувальних каналів дозволяє використовувати при розрахунках ємностей регулювання, розташованих поза каналами, методи інженерної гідрології. За нашими дослідженнями з використанням експериментальних даних найбільш адекватним природі формування скидів води із каналів є узагальнений статистичний метод розрахунку багаторічного регулювання річкового стоку, запропонований Г.Г. Сванідзе.

Призначенням ємності регулювання скидного стоку є накопичення протягом декількох діб скидів води з наступним їх використанням для поливу додаткових площ земель. Пропонується наступний метод. Ємність регулювання скидного стоку по за каналом розраховується по формулі

,

де - головний водозабір у канал, м3/с; - коефіцієнт водовіддачі ємності регулювання, який, в свою чергу, визначається за допомогою спеціальних номограм, наведених у роботах Г.Г.Сванідзе на задану забезпеченість за допомогою коефіцієнта

коефіцієнта варіації -

коефіцієнта автокореляції - rа. При цьому

водовіддача ємності, м3/с, - кількість дощувальних машин продуктивністю , - тривалість поливу.

Економічно доцільний об'єм ємності для регулювання скиду води встановлюється за результатами багатоваріантних розрахунків. Повний об'єм регулювальних ємностей визначається за допомогою відомих методів.

Процес формування водовідведення з території зрошувальних систем є стохастичним і в ньому переважає детермінована природа, яка виявляється тісним кореляційним зв'язком стоку води у колекторно-дренажній та гідрографічній мережі із сумарним водонадходженням на територію, морфометричними показниками рельєфу, глибиною залягання підземних вод. Нами були проведені експериментальні дослідження майже на всіх зрошувальних системах півдня України, які дозволили розробити методику розрахунку об'єму ємностей для накопичення відведених вод.

Водовідведення із зрошувальних систем розосереджено у розгалуженій мережі колекторів та скидних каналів. Найбільш доцільним є скупчення стоку у так званих головних колекторах, прокладених по тальвегам балок або руслах малих річок. Якщо позначити через (км2) водозбірну площу такого колектору, середньомісячну витрату (, м3/с) водонадходження у ємність регулювання пропонується обчислювати по формулі

,

де питома вага площ водозбору з глибинами залягання грунтових вод 0-3 та 3-5 м; - середній ухил (‰) водозбору, чисельно рівний добутку між густотою природної гідрографічної та штучної колекторно-дренажної мережі (?, м/км2) та їх середньої глибини (h, м).

Не менше 80% водовідведення із зрошувальних систем формується протягом поливного сезону. Гідрограф водовідведення має певну циклічність, яку можна врахувати за допомогою коефіцієнту

(умовні позначки наведені вище, розмірність водонадходження та сумарного випаровування - тис. м3/га). Значення коефіцієнтів дорівнюють: у квітні та жовтні - відповідно -0,7 та 0,10, травні - (-0,6) та 0,12, червні-серпні - (-0,3) та 0,12, вересні - (-1,4) та 0,13, в цілому за сезон - (-0,35) та 0,16. Об'єм ємності регулювання водовідведення необхідно встановлювати за результатами багатоваріантних розрахунків з використанням всіх наведених вище формул, що дасть гарантію запобігти великих похибок.

У шостому розділі обґрунтовуються методи управління водним режимом території зрошувальних систем України на засадах нормування групової водопотреби-нетто, водовідведення, втрат води на фільтрацію та скиди, сумарного водонадходження. Групова норма водопотреби-нетто кількісно (табл. 1) характеризує дефіцит водоспоживання всіх сільськогосподарських культур на сівозміні і розраховується як середня зважена, за структурою сівозмін, сума індивідуальних норм водопотреби-нетто заданої забезпеченості. В результаті зростає неоднорідність рядів, яка усунута нами їх згладжування за допомогою (1).

Втрати води на зрошувальних системах можна поділити на три основні види: фізичне випаровування, фільтрацію, поверхневий стік. За виконаним нами узагальненням літературних даних випаровування з водної поверхні у каналах за умов звичайної їх експлуатації становить біля 7% головної водоподачі, випаровування води у калюжах, що утворюються на полях після поливу, не перевищує 2% поливної норми, випаровування води, затриманої листовою поверхнею сільськогосподарських рослин сягає 11% поливної норми. Випаровування з поверхні водяних крапель хмари, що утворюється при поливі дощуванням, змінюється протягом доби від 2 до 38%, а протягом поливного сезону - від 3 до 10% поливної норми. Коливання величини випаровування мають імовірний характер. При сезонному плануванні водокористування потрібно виходити з усередненої величини втрат на випаровування, яка дорівнює 6-9% групової норми водопотреби-нетто.

Зрошувальна вода втрачається на фільтрацію в основному у зрошувальних каналах і на зрошуваних полях. За нашими дослідженнями фільтрація із більшості зрошувальних каналів України носить так званий випаровувальний режим, за яким інтенсивність фільтрації дорівнює інтенсивності випаровування вологи в зону аерації з поверхні куполу грунтових вод, що утворюється у приканальній зоні.

За нашими експериментами у магістральних каналах на фільтрацію втрачається в залежності від стану облицювання 4-17% головної водоподачі, міжгосподарських - 11-18, внутрігосподарських - 1-8%. На зрошуваних полях на фільтрацію втрачається 2-11% від сумарної водоподачі у систему або 10-30% від поливної норми, при цьому вона збільшується із зростанням сумарного надходження поливних та дощових вод, причому спостерігається критична величина сумарного водонадходження - біля 500 мм за поливний сезон, при перевищенні якої фільтрація зростає у декілька разів. Закономірності формування скиду води із каналів розглянуті у третьому розділі.

Коефіцієнт корисної дії каналів розраховується за відношенням суми втрат води на фізичне випаровування, фільтрацію та скиди до водоподачі через головну споруду. Відношення суми всіх втрат води на зрошуваному полі до сумарного водонадходження характеризує коефіцієнт корисної дії (ККД) поля - . Цей параметр водокористування запропонований нами у 1989 р. Обгрунтовані нашими дослідженнями норми втрат зрошувальної води наведені у табл. 2.

Водовідведення при зрошенні формується за рахунок сумарного водонадходження. Повне водовідведення дорівнює сумі всіх втрат зрошувальної та дощової води, а фактичне проявляється у вигляді поверхневого стоку у природній гідрографічній та штучній колекторно-дренажній мережі. Фактичне водовідведення менше повного на величину зростання за поливний сезон запасів підземних вод. Норма водовідведення (табл. 3) у вигляді коефіцієнту, що обчислюється за відношенням об'єму водовідведення з певної площі до сумарного водонадходження на неї, розраховується по запропонованій нами формулі

.

Норму сумарного водонадходження заданої забезпеченості на зрошувальну систему пропонується розраховувати по формулі

.

Для умов Південного та Донецько-Придніпровського природно-економічних районах України її величина коливається від 530 до 645 мм при середньому значенні - 590 мм і мало залежить від природної вологозабезпеченості території та поливних сезонів.

Оптимізація водного балансу зрошуваних земель не можлива поза загальногалузевою структурою водоспоживання. За нашими дослідженнями оптимальний об'єм води, потрібний для промисловості () на певній території, можна розрахувати по формулі

,

де безповоротне водоспоживання у промисловості у 1985 р.; загальногалузевий водозабір.