Содержание к диссертации
Введение
Состояние и изученность вопросов исследований 8
1.1. Существующие подходы при моделировании водопользования 8
1.2. Известные способы построения связей "урожайность-водопотребление" 31
2. Моделирование связей "урожайность-водопотребление"... 42
2.1. Анализ существующей информации по влиянию водопотребления на урожайность сельхозкультур 42
2.2. Результаты мелкоделяночного опыта по ущемлению хлопчатника в оросительной воде 49
2.3. Расчетный способ построения связей "урожайность-оросительная норма" 53
3. Оптимизация внутрихозяйственного вододеления при ограниченности водных ресурсов 79
3.1.. Экономико-математическая модель задачи оптимизации внутрихозяйственного вододеления 79
3.2. Численное решение оптимизационной модели и анализ
полученных результатов 88
4. Межхозяйственное вододеления в условиях маловодья 109
4.1. Сравнительная оценка принципов межхозяйственного вододеления 109
4.2. Порядок расчета лимитов водоподачи на межхозяйственном и внутрихозяйственном уровнях вододеления 123
4.3. Эффективность методов оптимального планирования вододеления 127
Заключение 132
Литература 135
Приложения
- Существующие подходы при моделировании водопользования
- Анализ существующей информации по влиянию водопотребления на урожайность сельхозкультур
- Экономико-математическая модель задачи оптимизации внутрихозяйственного вододеления
- Сравнительная оценка принципов межхозяйственного вододеления
Введение к работе
Актуальность. В современных условиях интенсивного развития производительных сил, особенно в районах, расположенных в аридной зоне, вопросы рационального использования природных и, в частности, водных ресурсов являются самыми острыми и актуальными.
Развитие экономики бассейна Аральского моря, наиболее древнего и самого крупного района орошаемого земледелия, в котором в настоящее время сосредоточено более 50 % поливных земель страны,как известно, полностью базируется на использовании водных ресурсов. При наличии больших потенциальных возможностей данный бассейн располагает ограниченными водными ресурсами при крайне неравномерном распределении водотоков по территории, причем сток отдельных источников орошения, например, Сырдарьи уже близок к исчерпанию.
Дефицит воды ощущается уже в настоящее время, особенно в маловодные годы. Ограниченность водных ресурсов в аридной зоне является основным сдерживающим фактором дальнейшего развития сельского хозяйства.
Надо отметить, что вопросы дефицита воды, вопросы ее экономного использования для аридной зоны всегда были актуальными. Особенность современного состояния орошаемого земледелия в бассейне Аральского моря в том, что если раньше недостаток воды в отдельных местах и в отдельные периоды был вызван ограниченностью возможностей по перераспределению стока в пространстве и во времени, то в настоящее время он обусловлен, главным образом, ограниченностью самих водных ресурсов.
Сейчас регулирование стока достигло значительных успехов: закончено, в основном, многолетнее регулирование р. Сырдарьи; находится в стадии завершения крупные водохранилища на Амударье. В результате располагаемые водные ресурсы за 10 пятилетку увели- -чились на 8 шірд.м по Сырдарье и на 4,2 млрд.м по Амударье, что в сочетании с несколько повышенной (выше среднемноголетней) водностью лет в истекшей пятилетке позволило не ощущать надвигающегося дефицита воды. Надо полагать, что в ближайшие годы в результате неуклонного роста орошаемых площадей, а также в силу того, что не исключена серия маловодных лет, дефицит воды будет ощутим, а в перспективе может стать хроническим.
Коренным решением проблемы дефицита воды является переброска части стока сибирских рек в бассейн Аральского моря, однако реализация плана переброски потребует не один десяток лет. Поэтому проблема экономного использования воды приобретает особо важное значение / 31 /.
На необходимость "рационального расходования воды для нужд сельского хозяйства" обращено внимание и в решениях ХХУІ съезда КПСС, которые призывают "... добиться всестороннего повышения эффективности использования орошаемых ... земель ..." / 3 /.
Наряду с мероприятиями по регулированию стока, противофиль-трационными работами,улучшением поливной техники, реконструкцией гидромелиоративных систем одним из путей рационализации использования оросительной воды является совершенствование планирования водопользования и водораспределения на основе современных методов оптимального планирования.
ХХУ съезд ЦК КПСС, рассматривая основные направления повышения эффективности управления экономикой и перестройки хозяйственного механизмы, указывал на необходимость в первую очередь обеспечить серьезное совершенствование планирования ..."Здесь, - отмечается в отчетном докладе - широкое поле для приложения усилий экономической науки для внедрения современных научных методов, в том числе экономико-математических ..." / 2 /.
Использование экономико-математических методов становится "возможным потому, что в условиях дефицита водных ресурсов вопросы-вододеления приобретают экономический аспект.
Целью работы является исследование, разработка и обоснование методов внутри- и межхозяйственного вододеления в вегетационный период на незасолеиных землях хлопкосеющей зоны при недостатке оросительной воды.
Методика исследований. Руководством к выполнению исследований по данной диссертационной работе явились директивные документы партии и правительства по вопросам развития мелиорации и сельского хозяйства в СССР. Широко использована специальная литература по мелиорации земель, эксплуатации гидромелиоративных систем, экономико-математическим методам, математической статистике, вычислительной технике. Проведенные исследования базируются на основных законах земледелия, математической моделировании, современных методах оптимального программирования, методике проведения полевых опытов по режимам орошения сельскохозяйственных культур и на принципах климатического и гидромодульного районирования орошаемых земель.
Научная новизна результатов исследований заключается в том, что впервые: разработана экономико-математическая модель задачи оптимизации внутрихозяйственного вододеления, обеспечивающая минимизацию ущерба хозяйства от дефицита оросительной воды и позволяющая, во-первых, для зафиксированных значений водных ресурсов хозяйства получить экономически оптимальные значения орошаемых площадей и оросительных норм сельскохозяйственных культур в разрезе хозяйственных каналов и гидромодульных районов, во-вторых, установить вид связи "ущерб - дефицит воды" для хозяйства, необходимой при решении вопросов межхозяйственного вододеления; разработан расчетный способ построения связи "урожайность- - оросительная норма" для основных культур хлопкосеющей зоны. До- ' стоинство предлагаемого метода заключается в том, что он дает возможность посредством известных переходных коэффициентов построить эти связи с учетом вида сельхозкультуры, гидрогеологических и климатических факторов; - проведена сравнительная оценка принципов межхозяйственного вододеления, позволившая выявить достоинство и недостатки практи куемого и предлагаемых принципов вододеления и установить, что-наи более предпочтительным в социально-экономическом плане является принцип равенства относительных ущербов хозяйств-водопользователей от дефицита оросительной воды.
Практическая ценность. Предлагаемые разработки дают возможность: составлять для различных уровней водообеспеченности хозяйств экономически оптимальные хозяйственные планы водопользования, минимизирующие ущербы водопользователей от дефицита воды; прогнозировать снижение урожайности сельскохозяйственных культур при ограничении оросительной нормы; осуществлять межхозяйственное вододеление на основе принципа, обеспечивающего равенство относительных ущербов хозяйств путем дифференциации лимитов водоподачи.
Реализация результатов исследований. Материалы диссертации нашли применение при разработке техно-рабочего проекта "Информационный вычислительный комплекс автоматизированной системы управления водными ресурсами бассейна реки Сырдарьи (АСУБ - СЫРДАРЬЯ) I очереди", а также использованы институтом "Узгипроводхоз" как вспомогательный материал при составлении "Отраслевой схемы развития и размещения мелиорации и водного хозяйства в Узбекской ССР до 2000 г."., часть П, раздел 10.2 "Нормирование орошения сельскохозяйственных культур в условиях дефицита оросительной воды".
Расчетный способ построения связи "урожайность-оросительная норма" нашел применение в технико-экономических расчетах при разработке ПКТБ "Узводприборавтоматика" техно-рабочего проекта "Привязка системы СТМ-2 к сооружениям на канале Р-8".
Публикации и апробация. Основные результаты исследований опубликованы в 7 печатных трудах / 87-93 /, докладывались и обсуждались на: X конференции молодых ученых Узбекистана по сельскому хозяйству (Ташкент, 1980); республиканской научно-практической конференции "Вопросы повышения эффективности строительства и эксплуатации ирригацион-но-мелиоративных систем" (Ташкент, 1980); республиканской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов по водному хозяйству "Внедрение НИР в водное хозяйство" (Ташкент, 1981); координационном совещании по отраслевой проблеме 0.07 Мин-водхоза СССР "Разработать и внедрить прогрессивные методы эксплуатации гидромелиоративных систем и сооружений" (Киев, 1983); семинаре отдела научных основ управления водными ресурсами ИВП АН СССР (Москва, 1983);
Тема диссертации утверждена Ученым советом САНИИРИ 5 мая 1976 года.
Разработки по теме выполнены в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ САНИИРИ в 1976-1983 гг. по отраслевым проблемам Минводхоза СССР: 5.02.05 и 0.07.02.03.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на III стр. машинописи, включая 20 таблиц, текст сопровождается 33 рисунками. Использованная литература включает 138 наименований, в том числе 4 зарубежных авторов.
Существующие подходы при моделировании водопользования
Нарастающий дефицит оросительной воды выдвигает требование наиболее эффективного использования водных ресурсов. Водораспре-деление между водопользователями и внутри хозяйств осуществляется на основе соответственно системных и хозяйственных планов водопользования. Поэтому рационализация использования оросительной воды предполагает совершенствование планирования водопользования вообще и, в частности, внутрихозяйственного, т.к. на основе хозяйственных планов водопользования составляются все прочие виды планов. Известно, что теоретические положения планового водопользования как основы правильного использования водоземельных ресурсов и эффективной работы оросительных систем были разработаны Н.А. Янишевским и другими советскими учеными / 45, 65, 133, 134 / еще в конце 20-х годов. С тех пор теория и практика планового водопользования непрерывно развивались и совершенствовались. Вопросам планирования водопользования в дальнейшем посвятили свои работы И.А.Шаров / 120, 125 /, С.Р.Оффенгенден / 100 /, В.А. Шаумян / 128 /, М.Ф.Натальчук / 95 /, Х.А.Ахмедов / 14, 15, 16, 17/, Н.Т.Лактаев / 67 / и другие. Особенность традиционной методики планирования / 39,49 / заключается в том, что водные ресурсы считаются нелимитированными. Поэтому хозяйственные планы водопользования приемлемы лишь для условий нормальной водообеспеченности, а при дефиците воды теряют самостоятельное значение и служат лишь основой для осуществления межхозяйственного вододеления. По мнению Г.В.Воропаева используемые в практике планы водопользования, являющиеся результатом одновариантной проработки, нельзя считать наилучшими, наиболее целесообразными решениями. При разработке их сейчас даже не выдвигается задача экономического обоснования плана в целом и отдельных параметров водопользования / 37 /.
Начиная с I960 года стаж появляться работы / 36, 37, 51, 62, 94- /, в которых высказывается мысль о том, что в условиях дефицита воды чисто технические вопросы вододеления приобретают экономический аспект, что рекомендуемые режимами орошения оросительные нормы, установленные исходя из принципа биологической оптимальности и являющиеся исходной информацией при составлении хозяйственных планов водопользования, не являются экономически оптимальными с точки зрения рационального использования оросительной воды. "Как показывает анализ имеющихся рекомендаций, - отмечает Г.В.Воропаев, - оросительные нормы, обеспечивающие наиболее высокую урожайность сельскохозяйственных культур, не являются в то же время экономически целесообразными" / 37 /.
Анализ существующей информации по влиянию водопотребления на урожайность сельхозкультур
В настоящее время в специализированных НИИ накоплен определенный материал по режимам орошения сельхозкультур. В связи с тем, что хлопчатник является ведущей культурой в Средней Азии, подавляющее большинство опытов проведено именно с ней. Информация по экспериментам содержится в научно-технических отчетах НИИ и в научно-технической литературе.
Анализ опытных данных позволяет заметить следующее:
1. Согласно принятому в настоящее время районированию поливных режимов, разработанного научно-исследовательским и проектным институтом Средазгипроводхлопок / 130 /, в пределах Средней Азии выделяются три широтные зоны: северная (С), центральная (Ц) и южная (Ю), каждая из которых в свою очередь подразделяется на две подзоны: северную (I) и южную (П). Опытные станции СоюзНИХИ расположены в различных климатических зонах. Наибольшее количество станций сосредоточено в зоне Ц-П: Аккавакская, Ферганская, Андижанская, Самаркандская и другие.
2. Основой при дифференциации режима орошения служат гидромодульные районы. В зависимости от механического состава почв (легкие, средние, тяжелые) и глубины грунтовых вод (более 3-4, 2-3, 1-2 и 0-1 м) выделяются девять гидромодульных районов. Территория опытных станций может быть представлена различным количеством гидромодульных районов: Аккавакская-Ш, Самаркандская - ІУ, У, Ферганская - I, Ш, ПУ, Андижанская - Ш, УП, Киргизская - П.
3. Земли станций различаются по типу почв: темные, типичные, светлые сероземы, сероземно-луговые, луговые.
4.Опыты проводились в различные годы, отличающиеся друг от друга по метеорологическим характеристикам.
5. Урожайность в опытах специализированных НИИ, как правило, гораздо выше, чем в подавляющем большинстве хозяйств. Это объясняется тем, что исследования проводятся в условиях высокой агротехники и организации работ.
6. Опыты по режиму орошения закладывались по принципу различных оросительных норм, накладываемых на определенный фон. Они ставились с целью определения, как правило, биологически оптимальной оросительной нормы. По поводу подобного рода экспериментов В.М.Ле-гостаев / 73 / пишет следующее: "В настоящее время специализированные научные учреждения занимаются изучением, так называемого, оптимального режима орошения сельскохозяйственных культур, который уже теперь не может быть применен на большинстве ирригационных систем из-за нехватки оросительной воды, не говоря уже о некоторой ближайшей перспективе, связанной с дальнейшим расширением орошаемых площадей". Поэтому оросительные нормы в экспериментах задавались близкими к ориентировочному оптимуму, т.е. сравнительно высокие, из-за чего очень мало данных по глубокому ущемлению сельхозкультур в оросительной воде. По этой причине чрезвычайно редки случаи, когда данные одного опыта охватывают как стационарную,
так лимитирующую и ингибирующую области (рис. 2.1). Но в тех опытах, когда такой случай имеет место, часто различаются прочие факторы (норма удобрений, густота стояния, сорт, схема поливов и т.д.).
Экономико-математическая модель задачи оптимизации внутрихозяйственного вододеления
Нами ставится задача оптимизировать одну из важнейших сторон сельскохозяйственного производства - внутрихозяйственное водопользование. Исходной информацией для составления хозяйственных планов водопользования на вегетационный период являются режимы орошения и структура посевных (орошаемых) площадей сельхозкультур. Значения посевных (орошаемых) площадей даются в разрезе хозяйственных каналов, сельхозкультур и гидромодульных районов. В условиях маловодья возникает необходимость в поиске экономически оптимальных параметров орошения, чтобы на их основе можно было составить экономически оптимальные хозяйственные планы водопользования на вегетацию.
Сущность нашей задачи поясним посредством рис. 3.1. На нем приведены два графика:
Первая кривая отражает эффективность использования I га орошаемой площади. Кривая T-ї (М) отражает эффективность использования I м3 оросительной воды. Максимально эффективное использова ние орошаемой площади имеет место при у и, соответствующей ей, 1м , а наиболее выгодное использование оросительной воды при У иМ , когда L достигает максимума. При этом 1 1 гораздо меньше ІЧ . Экономически оптимальное значение оросительной нормы, с точки зрения эффективного использования и орошаемой площади и оросительной воды, располагается между Г1 и ІМ или равно им ( ). Причем значение rl-L для конкретной культуры, выращиваемой в хозяйстве, зависит от различных условий, в частности, от уровня водообеспеченности хозяйства, состава сель У MP м
Схемы зависимостей урожайности ( V ) и удельной урожайности ( т ) от оросительной нормы ( М ), хозкультур, от ценности и влаголюбия её, от потенциального плодородия почвы, на которой она возделывавтся, от гидрогеологических условий, технического состояния гидромелиоративной сети и от учета некоторых неэкономических факторов / 62 / Процесс вододеления, как видно, допускает большое количество вариантов, следовательно, задача может быть сформулирована как оптимизационная. Наша цель заключается в том, чтобы найти такой вариант вододеления, при котором к минимуму сводится ущерб от дефицита воды.
Следует отметить, что дифференцированное ущемление сельхозкультур в условиях дефицита водных ресурсов имеет место в практике орошаемого земледелия. Хозяйства хорошо знают, что лучше поливать меньшими оросительными нормами, но на больших площадях, чтобы получить максимум валовой продукции. Надо признать, что хозяйства фактически занимаются оптимизацией вододеления, но их "оптимизация" опирается не на строгий математический расчет, а на интуицию и, нередко, на "указания вышестоящих органов, никакого отношения к ирригации не имеющих" / 109 /.
Сравнительная оценка принципов межхозяйственного вододеления
В практике орошаемого земледелия в условиях дефицита оросительной воды на всех уровнях водораспределения, начиная с межхозяйственного до"межреспубликанского, господствует принцип пропор-циональности , согласно которому скорректированные расходы в узлах вододеления определяются умножением плановых расходов на коэффициент пропорциональности, зависящий от обеспеченности источника орошения /39, 49 /.
В последнее время в связи с нарастанием дефицита водных ресурсов в аридной зоне интерес к вопросам водораспределения возрос; был высказан ряд критических замечаний в адрес традиционного принципа вододеления. Взамен его, как правило, предлагается принцип экономической оптимальности, реализация которого осуществляется в математическом плане двумя способами. При первом способе используются методы экономико-математического моделирования / 8, 30,38, 42, 59 /, при втором - методы высшей математики / 117 /ХХК
Сторонники принципа экономической оптимальности считают, что водные ресурсы необходимо распределять между потребителям независимо от их административно-территориального расположения, причем таким образом, чтобы обеспечить наивысший народохозяйственный эффект.
Другой принцип выдвинут в работе / 2.6 /. Авторы исходят из того, что чисто экономический подход к вопросам вододеления стра х Некоторые авторы называют его принципом долевого деления.
Xх Принцип вододеления, реализуемый вторым способом, будем называть в дальнейшем принципом равенства относительных приростов ущербов дает односторонностью; дело в том, считают они, что при использовании воды как природного ресурса формируется не только экономический, но и социальный эффект. Согласно принципу равного относительного ущерба, предложенного ими, лимиты водоподачи в хозяйства нужно назначать таким образом, чтобы убытки от маловодья в них в процентном отношении были равны.
Ниже следана попытка проанализировать достоинства и недостатки вышеперечисленных принципов на примере вододеления между пятью типами условных хозяйств. Первое хозяйство располагается на землях, где сложился гидроморфный мелиоративный режим (УП гидромодульный район), остальные параметры хозяйства такие же, как у хозяйства в п. 3.2; второе хозяйство от первого отличается тем, что расположено на автоморфных почвах (Ш ГМР); третье хозяйство отличается от второго только тем, что потенциальное плодородие его почв ниже (на 30 %); четвертое хозяйство отличается от третьего тем, что севооборот в нем менее освоен, то есть доля посевной площади хлопчатника в четвертом хозяйстве выше, чем в третьем; пятое хозяйство отличается от четвертого только тем, ЧТО КПД внутрихозяйственной сети в нем ниже (на 10 %). Все хозяйства орошаются из одной межхозяйственной оросительной системы.х Необходимым условием для анализа принципов вододеления является наличие зависимостей типа ). Здесь п- относительный ущерб (%) О -го хозяйства; дефицит воды {%) в системе. В отличие от зависимостей типа к. =. (W ) (рис. 4-.I) зависимости ) имею более сопоставимый вид и удобны для анализа. Ниже изложены способы построения этих связей.
