Четверг, 08.12.2016, 03:09
Высшее образование
Приветствую Вас Гость | RSS
Поиск по сайту


Главная » Статьи » Техника. Технические науки

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОЛИВАМИ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ

ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОЛИВАМИ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ АЛГОРИТМОВ

В.В.Бородычев1, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор М.Н. Лытов , кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
A.С.Овчинников2, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор
B.С.Бочарников2, кандидат технических наук
2Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (Волгоградский филиал)
2Волгоградский государственный аграрный университет

Цель исследований - повышение качества информационного обеспечения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур с возможностью использования современных решений в области автоматизированного мониторинга водного режима почвы орошаемых земель. В результате проведенных исследований предложена современная модель оптимального управления водным режимом почвы в условиях орошения, использование которой позволяет оценить необходимость проведения очередного вегетационного полива, вероятную дату следующего полива, составить графики поливов и разработать план водопользования на кратко-, средне- и долгосрочный периоды. В отличие от известных решений, предложенная модель предусматривает возможность определения текущего состояния влажности почвы двумя способами: расчетным и с помощью аппаратно-измерительного комплекса. Особенностью предложенной модели является использование разных расчетных методов для определения эвапотранспирации при проведении прогнозных и ретроспективных расчетов. Повышение точности прогнозных и ретроспективных расчетов эвапотранспирации достигается за счет использования многопараметрических моделей при введении фактических метеорологических данных за истекший период (расчетный блок «ретроспектива») и простых, однопараметрических моделей определения суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур при использовании прогнозных метеоданных, в значительной мере неопределенного, вероятностного характера.

Ключевые слова: орошение, модель, оптимальное управление, водный режим почвы.
 

Введение. Современный уровень развития технических средств орошения и внедрение автоматизированных инструментально-измерительных комплексов с модулем телеметрии предполагает совершенствование системы водопользования в зонах регулярного орошения на основе непрерывного мониторинга и оперативного прогноза водного режима почвы. Актуальными остаются вопросы повышения точности прогноза, в том числе за счет внедрения системы наземных измерений и оперативного использования измеренных данных для анализа потребности в проведении очередного полива, а также для выработки качественного прогноза на кратко-, средне- и долгосрочный периоды. Вместе с тем, программная часть комплекса должна обеспечивать и возможность использования расчетных методов для оценки текущих запасов эффективной почвенной влаги. Таким образом, должно быть выработано универсальное решение, обеспечивающее непрерывный мониторинг и надежный прогноз водного режима почвы при использовании гидротехнических систем разного поколения.

Материалы и методы. Задача, на решение которой направлены исследования, состоит в повышении качества информационного обеспечения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур с возможностью использования современных решений в области автоматизированного мониторинга водного режима почвы орошаемых земель. Методологической основной исследований стали приемы эвристического анализа функций информационной системы современных объектов мелиоративного назначения, структурного моделирования процесса принятия решений в системе планового водопользования для оптимального управления водным режимом почвы. Предмет моделирования - система программно-аппаратного обеспечения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур. Материалами, которые приняты за основу, являются известные алгоритмы, разработанные в разные годы учеными МГМИ, БСХА, ВНИИОЗ [9, 6, 7], новые решения в технике и технологии проведения поливов, включая капельное орошение [8], функциональные возможности современных систем непрерывного мониторинга и управления орошением [1, 2, 3]. Рабочая гипотеза исследований заключалась в предположении о возможности повышения качества информационного обеспечения задач управления водным режимом почвы за счет структурной оптимизации и совокупного использования расчетных и аппаратных ресурсов, обеспечивающих:
-    расширение функциональности информационной системы;
-    использование современных решений в области мониторинга водного режима почвы в границах орошаемого участка или его части с использованием автоматизированных инструментально-измерительных комплексов;
-    повышение надежности прогнозов и точности ретроспективных расчетов.

Результаты и обсуждение. Схематично модель оптимального управления водным режимом почвы при орошении представлена на рисунке. Особенностью предложенной модели является одновременное использование нескольких расчетных схем для расчета текущего состояния влажности почвы и определения прогнозной даты полива. Расчет проводится на два периода, которые разделяются моментом проведения расчета (нулевая дата Д0).
Для прогноза даты проведения очередного полива нулевая дата (ДА) является началом расчетного периода. Исходными данными являются сведения о водно- физических свойствах почвы, текущем состоянии влажности, прогнозные метеоданные. Расчеты проводятся с использованием унифицированной расчетной зависимости:

Приведенная зависимость получена в результате минимальной модернизации известной расчетной формулы [5], что позволило ее использовать для прогноза продолжительности периода до проведения очередного вегетационного полива с любой произвольной даты проведения расчетов, а также для составления графика поливов на весь оставшийся период вегетации культуры.

 Структурная модель решения задач управления водным режимом почвы при орошении
Рисунок - Структурная модель решения задач управления водным режимом почвы при орошении

Критерий F задается экспертно и позволяет закончить итерации при достижении заданной точности расчетов. Выходными данными являются дата проведения очередного вегетационного полива, примерные даты проведения последующих поливов или, в самом общем случае, климатически обоснованный график поливов на весь вегетационный период. Соответственно, для расчетов используется и разная исходная информация, - метеорологический прогноз на кратко-, средне- и долгосрочный периоды, а также климатическая характеристика региона.

Значения активных запасов почвенной влаги, которые могут быть использованы растениями (Wa), согласно предложенной модели, определяется исходя из объема текущих почвенных влагозапасов (Wt), полученных расчетом или в результате физического контроля влажности почвы. При отсутствии развернутой системы физического мониторинга водного режима почвы в качестве исходных данных для определения активных почвенных влагозапасов (Wa) используется расчетное значение Wt на нулевую дату (До).

Для определения текущих влагозапасов (Wt) проводится ретроспективный расчет и в этом случае нулевой датой (До) завершается расчетный период. Расчеты проводятся по фактическим метеоданным за истекший период с использованием формулы [7, 5]:
Wi = Wi_1+P- ЕТсгор(1-кд),
где Wi - запасы почвенной влаги на момент проведения расчетов (конец расчетного периода), м3/га Wi_1 - почвенные влагозапасы на начало расчетного периода, м3/га, Р - объем атмосферных осадков за расчетный период, м3/га.
Началом расчетного периода при этом является дата последнего физического измерения влажности почвы или дата проведения полива. Выходными данными являются информация о текущем состоянии влажности почвы, потребности в проведении очередного вегетационного полива и поливной норме.
Ключевым показателем в расчетных блоках предложенной модели, является значение суммарного водопотребления (ЕТсгор). Следует признать, что по поводу использования расчетной модели для определения суммарного водопотребления в научной общественности сегодня нет единого мнения. Наибольшее признание получили модели, опирающиеся на значения эталонной эвапотранспирации (модель Пенмана- Монтейта [10]):

где ЕТ0 - эталонная эвапотранспирация, мм/сут., Rn - чистая радиация на поверхности растений, мДж/ м2 в сут., G - плотность теплового потока почвы, мДж/м2 в сут., t - среднесуточная температура воздуха на высоте 2 м, U2 - скорость ветра на высоте 2 м, м/с, es - давление пара насыщения, кПа, ea - фактическое давление пара, кПа, es - ea - дефицит давления пара насыщения, кПа, А уклон кривой давления пара, кПа/0С, у - психрометрическая постоянная, кПа/0С.
В действительности использование подобных моделей эффективно только при использовании фактической (ретроспективной) метеорологической информации. Последнее подтверждается результатами исследования корреляций расчетных и фактических значений суммарного водопотребления при использовании прогнозируемых гидрометеорологических показателей (таблица).

Как видно из представленных в таблице данных, наиболее сильные корреляционные связи были получены по однопараметрическим расчетным моделям, в частности - по связи суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур с суммой накопленных среднесуточных температур воздуха. Снижение надежности многопараметрических моделей определения суммарного водопотребления (в данном случае - модели определения потенциальной эвапотранспирации) объясняется использованием большого числа трудно-прогнозируемых метеорологических показателей.

Таблица - Осредненные результаты корреляционного анализа взаимосвязи суммарного водопотребления с гидрометеорологическими факторами при использовании прогнозной информации [4]
Осредненные результаты корреляционного анализа взаимосвязи суммарного водопотребления с гидрометеорологическими факторами

Поэтому в представленной модели программно-аппаратного обеспечения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур предлагается:
- для расчета текущих запасов почвенной влаги (Wt) использовать значения суммарного водопотребления, определенные по уровню эталонной эвапотранспирации с вводом фактической гидрометеорологической информации. Этот же метод определения суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур предлагается использовать для составления климатически обоснованных графиков полива на вегетационный период. В качестве исходных данных в этом случае используется агроклиматическая характеристика региона;
- для расчета прогнозной даты очередного вегетационного полива (Драсч.) использовать значения суммарного водопотребления, определенные по простым, однопараметрическим моделям с вводом прогнозной гидрометеорологической информации. Эти же модели определения суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур предлагается использовать при составлении графиков полива на кратко- и среднесрочный периоды.

В совокупности использование разных расчетных зависимостей для решения прогнозных задач и определения текущих запасов влаги в почве позволяет повысить эффективность управления водным режимом почвы и планирования водопользования при орошении сельскохозяйственных культур.

Предложенная модель также предусматривает возможность использования данных физического мониторинга водного режима почвы. В этом случае расчетная информация блокируется, а для анализа и принятия решения используются результаты измерений, проведенных непосредственно на орошаемом участке. Введение аппаратно- измерительного блока в предложенную модель позволяет использовать технические и технологические преимущества гидромелиоративных систем нового поколения, органично совмещая возможности аппаратного и вычислительного комплекса для решения задач оптимального управления водным режимом почвы. Кроме того, результаты физического измерения водного состояния почвы в разные периоды роста и развития сельскохозяйственных культур предлагается использовать для идентификации региональных параметров связи эталонной эвапотранспирации и водопотребления сельскохозяйственных культур. В этом смысле предложенная модель обладает исследовательским и адаптационным потенциалом.

Выводы. В результате исследований проведено теоретическое обоснование и предложена модель оптимального управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур, характеризующаяся:

- компактным решением с возможностью осуществления всего комплекса функций по планированию поливного режима, включая разработку прогностической программы, формирование корректирующего прогноза потребности в поливах на любой срок с оценкой вероятности осуществления прогноза, составление оперативно- текущих планов, анализ необходимости проведения очередного полива с использованием ретроспективной информации;

- возможностью использования современных решений в области мониторинга водного режима почвы в границах орошаемого участка или его части с использованием автоматизированных инструментально-измерительных комплексов в качестве альтернативы расчетному методу с использованием ретроспективной агрометеорологической информации;

- возможностью использования измеренных данных для адаптации расчетных моделей прогнозирования водного режима почвы с учетом природных особенностей региона и орошаемых агроландшафтов;

- повышением точности прогнозных и ретроспективных расчетов за счет использования многопараметрических моделей определения суммарного водопотребле- ния сельскохозяйственных культур при использовании фактических метеорологических данных за истекший период (расчетный блок «ретроспектива») и простых, одно- параметрических моделей определения суммарного водопотребления сельскохозяйственных культур при использовании прогнозных метеоданных, в значительной мере неопределенного, вероятностного характера.

 

Библиографический список

1. Бородычев, В.В. Комплексы показателей мониторинга работы дождевальной техники в режиме реального времени [Текст]/ В.В. Бородычев, М.Н. Лытов, Е.Э. Головинов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - №3(39). - С. 33-37.
2. Бородычёв, В.В. Алгоритм решения задач управления водным режимом почвы при орошении сельскохозяйственных культур [Текст]/ В.В. Бородычёв, М.Н. Лытов // Мелиорация и водное хозяйство. - 2015. - № 1. - С. 8-11.
3. Бородычев, В.В. К вопросу об организации комплексного мониторинга работы дождевальной техники в режиме реального времени [Текст]/ В.В. Бородычёв, М.Н. Лытов // Проблемы управления водными и земельными ресурсами: материалы Международного научного форума. - М.: РГАУ-МСХА, 2015. - С. 287-295.
4. Ильинская, И.Н. Нормирование водопотребности для орошения сельскохозяйственных культур на Северном Кавказе [Текст]/ И.Н. Ильинская. - Новочеркасск: РОСНИИПМ, 2001. - 163 с.
5. Мелиорация и водное хозяйство. Орошение [Текст] : справочник / Под ред. Б.Б. Шумакова. - М.: Колос, 1999. - 432 с.
6. Методические рекомендации по оперативному планированию режимов дождевания сельскохозяйственных культур на минеральных почвах Белорусской ССР [Текст]/ Под ред. М.Г. Голченко. - Горки: БСХА, 1986. - 44 с.
7. Методические указания и нормативы разработки систем управления экологической устойчивостью орошаемых агроландшафтов [Текст]/ И.П. Кружилин, В.Ф. Мамин, А.Г. Болотин и др. - М.: Россельхозакадемия, 2007. - 105 с.
8. Особенности водного режима почвы при капельном орошении сельскохозяйственных культур [Текст]/ Н.Н. Дубенок, В.В. Бородычев, М.Н. Лытов, О.А. Белик // Достижения науки и техники АПК. -2009. - № 4. - С. 22-24.
9. Шабанов, В.В. Оптимальное управление поливами при эксплуатации оросительных систем (рекомендации) [Текст]/ В.В. Шабанов, Ю.М. Землянов. - М.: Агропромиздат, 1990. - 56 с.
10. Crop evapotranspiration - Guidelines for computing crop water requirements - FAO Irrigation and drainage [Text]/ Richard G. Allen, Luis S. Pereira, Dirk Raes, Martin Smith. - Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1998. - 326 с.
 

Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование № 4 (40), 2015

Категория: Техника. Технические науки | Добавил: x5443 (04.02.2016)
Просмотров: 171 | Теги: орошение, водный режим | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
...




Copyright MyCorp © 2016