Содержание к диссертации
Введение
1. СУЩЕСТВУЮЩИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПОТРЕБНОСТЕЙ В ВОДЕ ПРИ ОРОШАЕМОМ ЗЕМЛЕДЕЛИИ . 9
1.1. Состояние исследований по определению потребности в воде сельскохозяйственных культур 9
1.2. Анализ существующих методов прогнозирования с целью применения их для определения перспективных потребностей в воде при орошении больших территорий 17
1.3. Выводы 26
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ПОТРЕБНОСТИ В ВОДЕ НА ОРОШЕНИЕ ПРИ ПЛАНИРОВАНИИ РАЗВИТИЯ КРУПНЫХ СИСТЕМ 29
2.1. Краткая характеристика объекта исследований 29
2.2. Исследование структуры орошаемых массивов и показателей планов водопользования для определения суммарного объема забора воды на орошение районов, расположенных на крупных системах 36
2.3. Описание постановки решаемой задачи и терминология 50
3. МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТА ПЕРСПЕКТИВНОЙ ПОТРЕБНОСТИ В ВОДЕ КРУПНЫХ РАЙОНОВ ОРОШАЕМОГО ЗЕМЩЩИЯ 62
3.1. Влияние основных факторов на изменение в перспективе потребности в воде рошаемого земледелия . 62
3.2. Статистический анализ водоподачи по крупным орошаемым массивам
3.3. Методы определения оптимального объема забора воды на орошение в планах развития
крупных систем 79
3.4. Применение логистической модели для определения суммарной потребности в воде крупного района орошаемого земледелия на отдаленную перспективу 85
3.5. Определение допустимых вариантов изменения в перспективе потребностей в воде крупного
района 92
4. ОПРЕДЕЛШИЕ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ПОТРЕБНОСТИ В ВОДЕ ДЛЯ ОРОШЕНИЯ РАЙОНОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ В НИЗОВЬЯХ р.АМУДАРЬИ
4.1. Описание общего алгоритма системы расчетов 97
4.2. Пример расчета перспективной потребности в воде районов, расположенных в низовьях р.Амударьи 101
4.3. Технико-экономический анализ результатов расчета 121
4.4. Внедрение результатов исследований . 128
5. ОБЩИЕ вывода 131
6. РЖОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ 135
7. Перечень используемой литературы 136
8. Приложение 155
- Состояние исследований по определению потребности в воде сельскохозяйственных культур
- Краткая характеристика объекта исследований
- Влияние основных факторов на изменение в перспективе потребности в воде рошаемого земледелия
- Описание общего алгоритма системы расчетов
Введение к работе
Актуальность работы. Решениями ХХУІ съезда КПСС и майского 1982 года пленума ЦК КПСС определены широкие планы развития мелиорации земель в стране. Намечено довести площади орошаемых земель в 1985 году до 20,8 млн/ га, а в 1990 году до 23-25 млн. га. Планирование становится долгосрочным и комплексным, а ввод орошаемых земель во многих районах осуществляется крупными массивами. Между тем в районах Средней Азии и на юге Украины давно определился дефицит поверхностных водных ресурсов, в связи с чем разрабатываются дорогостоящие проекты увеличения водообеспеченности, в том числе аа счет переброски части стока из других бассейнов рек.
Своевременная и объективная оценка необходимой потребности в воде на орошение крупных районов, например, с площадью 200-300 тыс. га и более, позволит проектировать объекты водного хозяйства с лучшими технико-экономическими показателями или разрабатывать более рациональные планы водопользования в районах, расположенных на крупных оросительных системах.
Цель и задачи исследований. Одной из задач диссертационной работы является определение экономного варианта перспективного плана объемов забора воды на орошение в районах, расположенных на крупных системах межреспубликанского значения. При этом должны соблюдаться условия сохранения темпов роста урожаев хлопчатника - основной сельскохозяйственной культуры исследуемого региона. Решение такой задачи должно основываться на разработке гидромелиоративных прогнозов, для чего многими исследователями предлагалось создавать крупные опытные участки, в пределах которых размещать опытные хозяйства и оросительные системы.
Проведение исследований на такой основе, очевидно, потребует много времени и материальных затрат, поэтому основной целью работы была разработка такой методики расчетов, которая позволяла с достаточной для практических целей точностью определять суммарный объем забора воды на орошение районов, расположенных на большой территории на основе анализа показателей развития крупных систем. Для разрешения информационных трудностей ставилась задача определения рациональной структуры показателей в разрабатываемой системе моделей.
Научная новизна -работы. Доказана целесообразность решения задачи определения перспективной потребности в воде на орошение по большой территории на основе статистического анализа данных по фактическому водопользованию на крупных оросительных системах межреспубликанского или межобластного значения.
В отличие от существующих разработок по моделям перспективного планирования развития мелиорации в модели оптимизации водорас-пределения использовался критерий -"Минимум суммарного объема забора воды на орошение."Решение общей задачи основывается на применении методов адаптивного прогнозирования и отыскание параметров экстраполяционной модели основано на алгоритме согласования с расчетами по модели оптимизации. В результате исследований существующей структуры основных показателей планов водопользования в крупном районе разработан методический прием, позволяющий выбрать наиболее рациональную иерархическую структуру показателей планов водопользования, в соответствии с которой и разработана система моделей. Вследствие выбора рациональной иерархииеокой структуры показателей планов водопользования, реализация предлагаемых методов в отдельных случаях не требует применения ЭВМ. Последнее является основным элементов научной новизны работы и может способствовать ускорению практического использования разработанных методов.
Методика исследований» При разработке системы моделей использовались методы статистического анализа и оптимизационные методы. При определении оптимальной перспективной потребности в воде на орошение районов, расположенных на крупных системах использовался опыт разработки аналогичных моделей ( Коваленко Б.Г., Кардаш В.А., Кисаров О.П., Пряжинская В.Г. и др.). Так как учет множества факторов внешней среды снижает надежность прогнозов, при определении урожайности хлопчатника использовались более простые модели и корреляционные уравнения. Для того, чтобы избежать погрешностей при определении оптимальной величины забора воды на орошение с помощью модели линейного программирования расчеты по этой модели производились только на промежуточную перспективу 10-12 лет, после чего прогноз этой величины на отдаленную перспективу осуществлялся с помощью модели логистического типа. Параметры логистической моде- . ли устанавливались после того, как расчеты по модели линейного программирования совпадали с прогнозом суммарного объема забора воды на орошение по модели логистического типа с определенной степенью точности.
На зашиту выносятся: Модели и алгоритмы, позволяющие определять перспективную потребность в воде крупного района орошаемого земледелия с площадью 200-300 тыс. га на основе анализа фактических данных за ряд лет на системах межреспубликанского значения.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанные методы могут использоваться для контроля и анализа рациональности планов водопользования в разрезе крупных административных районов. Поскольку методы позволяют определить объемы забора воды на орошение районов расположенных на большой территории и по различным годам перспективы, целесообразно их использовать для оценки переброски необходимых водных ресурсов , где ощущается их дефицит. Методы основываются на статистическом анализе уже имеющихся данных и, следовательно, применение их позволяет наиболее быстрым путем оценить потребность в воде на орошение в крупных районах сельскохозяйственного производства, что позволяет оценить в свою очередь предварительно дефицит водного баланса крупных территорий.
Применяя разработанные модели и алгоритмы был определен суммарный объем забора воды на орошение в низовьях р. Амударьи и объемы водоподачи по районам, которые обслуживаются крупными оросительными системами Управления Амударьинских межреспубликанских ирригационных каналов ( УЇЇРАДИК ). Расчеты показали, что в среднем для такого региона с площадью орошения 300 тыс. га можно экономить оросительную воду 180-200 млн. м3 в год, что позволяет произвести дополнительно орошение на площади более 6 тыс. га и расчетное значение дополнительного чистого дохода от применения орошения составило около I млн. руб.
Применение разработанных методов должно способствовать своевременному выявлению перспектив увеличения водообеспеченности и наметить мероприятия по развитию строительства водохозяйственных объектов на крупных системах.
Апробация -работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных научно-технических конференциях по прогнозированию и перспективному планированию развития водного хозяйства ( Москва, 1977 -1979 г.г.), На научно-практической конференции по разработке систем и методов непрерывного прогнозирования ( Ленинград, 1978 г.).
Некоторые методы изложены в отчете по теме IA-3.0I. "Совершенствование методов оптимизации перспективного использования водных ресурсов в комплексных водохозяйственных системах" (1975 г.) в рамках сотрудничества .Заключительный доклад по этой теме был опубликован в" 1979 году.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований были использованы для оценки суммарной потребности в воде районов оро- шаемого земледелия в Управлении межреспубликанских ирригационных каналов (УЇЇРАДИК). В 1979 году результаты расчетов использовались для проверки рациональности разрабатываемых УПРАДЖом планов водопользования, а в 1980 - 1981 г.г. для определения суммарного объема забора воды в оросительные системы УБРАДИКа в условиях недостаточной водообеспеченнояти исследуемых районов орошаемого земледелия.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Объем работы.Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и предложений производству, приложений ( 32 таблицы и табуляграммы ЭВМ - 21 лист ). Работа изложена на 154 страни— цах машинописного текста, включая 21 рисунок, 10 таблиц и 183 наименования библиографии.
Автор благодарит научного руководителя - академика ВАСХНИЛ, профессора Шумакова Б.Б. за большую методическую помощь при разработке основных методических подходов и моделей для решения поставленных в работе задач, а также администрацию ВНИШэкономики и ОГИВЦ Минводхоза СССР за предоставление машинного времени ддя отладки вычислительных программ.
Состояние исследований по определению потребности в воде сельскохозяйственных культур
Достоверность расчетов при определении потребности в воде при орошении в конечном счете зависит от того, насколько достоверно определены потребности в воде отдельных культур растениеводства или в целом севооборотных участков. Кроме того, принимаемые на перс -пективу нормы водопотребления сельскохозяйственных культур должны быть оптимальными в смысле получения максимального урожая при некоторых условиях произрастания этих культур в перспективе. Решение такой задачи представляет собой сложную научно-техническую проблему.
В настоящее время большинство исследований по вопросам поиска оптимальных норм потребления воды сельскохозяйственными культурами направлено на поиск экспериментальных и теоретических зависимостей между расходами воды полем и различными факторами внешней среды. При этом исследуется так называемая величина "суммарного испарения", равная сумме расхода воды на испарение с поверхности почвы, транспирацию конкретного растения (культуры) и испарением влаги, задерживаемой растительной массой. С этим понятием за рубежом связывают понятие "эвапотранспирации", которое полностью сов -падает с ним по физическому смыслу.
Существует множество методов определения величины суммарного испарения, разработанных в нашей стране и за рубежом, среди которых можно выделить основные:
1. Метод водного баланса /" 85,103,161 _/,
2. Метод теплового баланса /32,162_7, 3. Биоклиматический метод 8-10_/,
4. Метод сочетания теплового и водного балансов /32,42,163/,
5. Метод определения суммарного испарения в зависимости от влияния отдельных метеорологических элементов /57,125,148,153 _/.
Многообразие разрабатываемых методов расчета суммарного испарения или потребности в воде культурных растений происходит в первую очередь из-за множества факторов, определяющих изменение этой величины за период вегетации растений. Среди этих факторов - внешние (метеорологические условия, влажность почвы и др.), внутренние (физиология роста растений, сосущая сила листьев, а также площадь и густота растительного покрова, уровень агротехники и др.). Кроме того, суммарное испарение не является постоянным в течение всего периода вегетации и, более того, основные составляющие ее могут значительно изменяться во времени. Так, например, испаряемость с растительного покрова при определенной густоте является основной компонентой; расхода тепла на испарение и приблизительно равняется суммарному испарению. Только перечисленные выше причины предопределяют трудности расчета достоверных значений потребностей в воде сельскохозяйственных культур даже для конкретных условий.
Краткая характеристика объекта исследований
Объектом исследований были районы орошаемого земледелия, расположенные в низовьях р. Амударьи. Основные орошаемые массивы в исследуемом регионе расположены в южной части Каракалпакской АССР (Амударьинский район) и в Хорезмской области Узбекской ССР, а также в Ташаузской области Туркменской ССР.
Низовья Амударьи характеризуются резкой континентальностью климата, типичной для внетропических пустынь. Запасы термических ресурсов за период вегетации позволяют в этом регионе выращивать хлопчатник (основная культура), а также рис, виноград и бахчевые. В основном исследуемый регион можно отнести к одному из самых засушливых в нашей стране. Годовая сумма осадков, например, колеблется от 80 до 120 мм, в то время, как расход влаги на испарение и транспирацшо в 12-15 раз превышает эти величины.
Распределение осадков и температуры по месяцам года представлено на таблице 2.І.І. показывает, что в весенние месяцы выпадает почти половина всей суммы годовых осадков. Около трети всех осадков в виде снега приходится на зимние месяцы, остальная часть выпадает осенью, в то время, как летом их количество очень незначительно.
Влияние основных факторов на изменение в перспективе потребности в воде рошаемого земледелия
Количество воды, которое необходимо забрать из источников на нувды орошения в конкретном регионе с определенной структурой севооборотов орошаемых массивов можно вычислить по следующей средний коэффициент полезного действия оросительных систем крупного района с учетом различных видов потерь (см. п.2.3); vVyYej- прогнозная величина удельных норм полива нетто для С -ой культуры на j, -ом массиве м3/га год;
Орошаемые площади, занятые с -ой сельскохозяйственной культурой с определенной структурой севооборотов, расположенные в / -ом районе. В данном случае районом может быть крупный орошаемый массив, или часть административно территориальной единицы (см. п.2.3.5).
Следовательно, прогнозирование водопотребления на нужды орошения сводится к прогнозированию или обоснованию среднего коэффициента полезного действия оросительных систем рассматриваемого региона, структуры севооборотов, размеров орошаемых площадей и среднегодовых удельных норм полива для каждой рассматриваемой культуры или в целом для определенного севооборота.
Укрупненные среднегодовые нормы орошения нетто целесообразно рассматривать раздельно по группам сельскохозяйственных культур в соответствующей природно-климатической зоне.
Величина нормы орошения для каждой сельскохозяйственной культуры на конкретной территории в основном зависит от климатических параметров - суммарного испарения, которая в свою очередь зависит от температуры и влажности воздуха, осадков за период вегетации, а также количества влаги в почве, накопленной за счет осадков между периодами вегетации и бокового притока грунтовых вод (см. п.1.1). При глубине залегания грунтовых вод менее 3 м- эти воды потребляются корнями растений, а при большей, их влияние практически не учитывается /"59,162_/ Уровень грунтовых вод каждого рассматриваемого участка, помимо его положения в рельефе, также зависит от упомянутых выше климатических характеристик - средне -годовой суммы осадков и среднегодовой величины испаряемости, однако, при разработке прогнозов уровня грунтовых вод используют и более простые зависимости [!? ]
При разработке методики прогнозов необходимо учитывать природно-климатическую зону. В данном случае расчеты производились для условий аридной зоны (см. глава ГУ).
Для условий других зон необходимо учитывать перечисленные выше факторы, хотя в настоящей методике ряд факторов не учитывается, их влияние можно учесть, введя соответствующие поправочные коэффициенты.
Известны различные схемы районирования территории СССР по зонам /"6,144,170 J и, в частности, предложенное Г.Т.Селяниновым / I40j по гидротермическому коэффициенту. Этот коэффициент (ГТК) наиболее распространен при разработке схем районирования представляет собой отношение суммы осадков к сумме среднесуточных температур и уменьшенное на 10. При ГТК более 1,5 зона считается избы- , точно увлажненная, при 1-1,5 - водные мелиорации не требуются, при 0,5-0,8 - зона считается сухой и при ГТК менее 0,5 - земледелие возможно лишь на основе орошения.
Описание общего алгоритма системы расчетов
В настоящее время разработаны методические основы по обоснованию хозяйственных планов водопользования П6_/, которые содержат множество документов и являются достаточно слож -ными, вследствие чего возникают трудности внедрения этих мето -дов в практику разработки планов водопользования. Методический подход,изложенный.в главе 37 с одной стороны -является более сложным в смысле применения методов прогнозирования или перспективного планирования, однако, разработанные методы используют информацию в более агрегированном виде, чем в/112,35/,что позволяет проводить расчеты параллельно с разработкой планов водопользования в управлениях, мелиорации и водного хозяйства. Так, например, основная информация (см.приложения 3-32) может быть получена заблаговременно и даже не требуется информация за последние 2 года.
Полученная в результате расчетов выходная информация, в свою очередь, может использоваться для контроля и корректиров -ки разрабатываемых планов водопользования
При разработке системы расчетов использовался опыт разрабатываемых до сих пор некоторых моделей автоматизированных систем управления /"93,95у, однако в разработанной нами системе расчетов предпринимается попытка исследовать изменение сум -марной потребности в воде крупных районов орошаемого земледелия на отдаленную перспективу 20-30 лет и в то же время кон -тролировать изменение этой величины за более короткие плановые периоды.
Все расчеты по определению суммарной величины водозабора в целях орошения можно представить в виде обобщенной схемы. Блок-схема расчетов представлена на рис.4.4.1.
После ввода основных статистических и отчетных данных, содержащихся в Управлениях мелиорации и водного хозяйства реги -она (приложение 3-23), а также многолетних данных по темпера -туре и осадкам, находящимся на соответствующих метеостанциях (приложение 25) производится расчет перспективных значений:
- удельных величин водоподачи брутто и нетто (блок 2, рис.4.4.1);
- средневзвешенных величин КПД по основным крупным орошаемым массивам (блок 3);
- водоподачи (брутто и нетто) тыс.м3/га в год и урожайности основных культур рассматриваемых орошаемых массивов (блок 4).
В вычислении среднестатистических значение, представленных в блоке 4»отпадает необходимость, если впоследствии при вычислении уравнений связи (см. п.3.2) между значениями урожайности и водоподачей будет обнаружена тесная зависимость с высокими коэффициентами корреляции. В противном случае отыскивается корреляционная зависимость между сглаженными величинами или для прогнозирования выбирается другое уравнение связи, возможно и не в виде нелинейной зависимости.
