Повышение эффективности использования поверхностного стока для регулярного орошения на примере юга ростовской области Васильев Валерий Владимирович

Содержание к диссертации

Введение

1 Актуальность проблемы использования поверхностного стока для регулярного орошения 9

1.1 Анализ перспектив снижения дефицита водных ресурсов за счет аккумуляции и дальнейшего использования поверхностного стока 10

1.2 Практические возможности аккумулирования поверхностного стока на водосборной территории 12

1.3 Отечественные и зарубежные разработки моделей и алгоритмов по расчету возможностей использования поверхностного стока для регулярного орошения 15

1.4 Анализ степени и глубины изученности проблемы формирования поверхностного стока 27

Выводы по главе 1 33

2 Анализ природно-климатических особенностей и производственных условий формирования поверхностного стока на примере юга ростовскойобласти 34

2.1 Природно-климатические условия 34

2.2 Качественная характеристика поверхностного стока 38

2.3 Методики экспериментальных исследований качества поверхностного стока 43

Выводы по главе 2 46

3 Теоретическое и экспериментальное обоснование использования потенциальных возможностей поверхностного стока 47

3.1 Гидродинамическая модель загрязнения поверхностного стока 47

3.2 Разработка экспериментальной установки по исследованию фильтрационной емкости загрузки и анализ экспериментальных данных 57

3.3 Математическая модель процесса фильтрации поверхностного стока через неорганический наполнитель 65

Выводы по главе 3 74

4 Разработка способа перехвата и очистки и использования аккумулированного поверхностного стока 76

4.1 Реализации способа перехвата и очистки поверхностного стока 76

4.2 Рекомендации по проектированию пруда-накопителя, аккумулирующего поверхностный сток с последующим распределением потребителю 83

4.4 Решение задачи распределения водных ресурсов, сформировавшихся за счет поверхностного стока для случая использования нескольких прудов накопителей 97

Выводы по главе 4 107

5 Оценка экономической эффективности результатов исследований 108

5.1 Экономическое обоснование затрат на строительство и эксплуатацию комплекса по перехвату, очистке и аккумуляции поверхностного стока 109

5.2 Расчет предотвращенного эколого-экономического ущерба от загрязнения поверхностных водоемов 113

5.3 Экономическая оценка рентабельности производства овощей в ЗАО «Нива» Веселовского района 114

5.4 Расчет показателей эффективности инвестиционных проектов 118

Заключение 121

Список литературы 124

• Практические возможности аккумулирования поверхностного стока на водосборной территории
• Качественная характеристика поверхностного стока
• Разработка экспериментальной установки по исследованию фильтрационной емкости загрузки и анализ экспериментальных данных
• Рекомендации по проектированию пруда-накопителя, аккумулирующего поверхностный сток с последующим распределением потребителю

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Ежегодно в степных районах нашей страны только весной при снеготаянии с полей стекает свыше 60 млрд м³ воды, или 200-800 м³ с одного гектара. Сток талых и дождевых вод, унося огромное количество воды с сельскохозяйственных угодий, вызывает эрозию почв, ухудшает плодородие и нарушает целостность земельного фонда. В тоже время развитие орошаемого земледелия сдерживается еще целым комплексом проблем. К основным из них можно отнести имеющийся дефицит водных ресурсов на Европейской территории РФ и достаточно высокие тарифы за услуги по подаче воды существующей сетью магистральных и распределительных каналов.

Однако, при рациональном использовании предварительно аккумулированным и очищенным поверхностным стоком можно оросить существенные площади, в том числе в районах, испытывающих дефицит в водных и энергетических ресурсах. Поверхностный сток потенциально пригоден для использования на значительной территории – от зоны с устойчивым снежным покровом до сухих и полузасушливых степей. Он имеет большое, а иногда и решающее значение для обводнения и развития регулярного орошения во многих засушливых районах юга Ростовской области, востока Ставропольского края, севера Калмыкии, в Волгоградской и Саратовской областях, в междуречьях Урала и Волги, Волги и Дона.

Весьма перспективным направлением в решении перечисленных проблем является реализация задачи перехвата аккумуляции и очистки поверхностного стока на современном научном и практическом уровне за счет разработки новых способов и приемов использования этого ценнейшего и практически теряемого ресурса.

Степень разработанности проблемы.В настоящее время накоплен обширный опыт по использованию поверхностного стока за счет аккумулирования в малых прудах и водохранилищах. Пути и возможности использования поверхностного стока для орошения культур исследовались в работах таких ученых, как Б. Б. Шумаков, В. Н. Щедрин, М. С. Григоров, И. П. Кружилин, В. И. Ольгаренко, И. В. Ольгаренко, А. А. Пахомов, Д. П. Гостищев, Н. С. Тимченко, Г. А. Сенчуков,

4 Ю. П. Сухарев, Ю. В. Мирошниченко, Е. А. Кропина, R. Szymkiewicz, A. Kirby, K. P. Georgakakos, H. W Hager и др. Высоко оценивая существующие результаты научных исследований, как отечественной, так и зарубежной мелиоративной науки, следует отметить, что имеющиеся методы и способы перехвата, аккумуляции и очистки поверхностного стока для природно-климатических условий Ростовской области были разработаны и внедрены в производство в конце 80–90-х гг. прошлого века. Они потеряли свою актуальность вследствие несоответствия параметров сооружений перехваченному стоку, низкой эффективности способов очистки, отсутствия автоматизации распределения ресурсов поверхностного стока, изменения хозяйственных условий производства сельскохозяйственных культур.

В настоящее время исследования по решению данной проблемы с достаточной степенью детализации не проводились, существующие разработки ученых РосНИИПМ: Ю. Ф. Снипич, Е. А. Кропиной, Е. Ю. Финошиной, исследователей НИМИ ДонГАУ Е. В. Полуэктова, Г. А. Сенчукова решают лишь часть рассматриваемой нами проблемы в аспектах предотвращения смыва почвы поверхностным стоком и задержания его непосредственно на поле. Результаты исследований других авторов не учитывают природно-климатические условия Ростовской области и особенности ведения хозяйственной деятельности. Для использования ресурсов поверхностного стока в целях регулярного орошения данных по эффективности его предварительной очистки крайне недостаточно.

Цель работы. Повышение эффективности использования поверхностного стока за счет разработки нового способа его перехвата, очистки, аккумуляции и последующего применения для целей регулярного орошения.

Задачи исследований:

1. Провести анализ существующих и используемых в отечественной и зарубежной практике способов перехвата, очистки, аккумуляции и последующего применения ресурсов поверхностного стока для орошения;

2. Осуществить оценку природно-климатических и хозяйственных условий юга Ростовской области для определения влияния этих факторов на потенциальные ресурсы поверхностного стока;

3. Разработать способ перехвата и очистки аккумулированного поверхностного стока, оценить производительность и эффективность очистки, определить возможности его использования для целей регулярного орошения;

4. Предложить модель распределения водных ресурсов, сформировавшихся за счет поверхностного стока для целей орошения;

5. Оценить экономическую эффективность разработанных мероприятий и дать рекомендации к практическому использованию в производстве.

Объект исследований – инженерно-мелиоративные и инженерно-экологические комплексы сооружений, повышающие эффективность использования поверхностного стока.

Предмет исследований – способы, технологии и средства перехвата и очистки поверхностного стока для орошения.

Научная новизна работы состоит в разработке нового способа перехвата и очистки аккумулированного поверхностного стока, и модели распределения водных ресурсов сформировавшихся при реализации данного способа в производственных условиях.

Теоретическая и практическая значимость работы. Произведено теоретическое обоснование конструктивно-технологического решения разработанного способа перехвата и очистки аккумулированного поверхностного стока в увязке с возможностью реализации модели последующего распределения водных ресурсов для целей орошения. Установлены прогнозные зависимости,адекватно описывающие процесс фильтрации поверхностного стока через неорганический наполнитель в зависимости от показателя фильтрации, водородного показателя и температуры. Даны практические рекомендации по использованию нового способа и конструктивно-технологических решений для его реализации, а также динамической имитационной модели, которые могут быть использованы при обосновании проектных решений по реконструкции, строительству и эксплуатации оросительных систем.

Методология и методы исследований. Теоретические исследования проводились на основе общеизвестных методов планирования эксперимента, зако-

6 нов теории вероятности и математической статистики. Экспериментальные исследования были реализованы в соответствие с действующими нормативно-методическими требованиями, техническими регламентами и методиками полевых и производственных изысканий. Использование методов математической статистики и компьютерного моделирования изучаемых процессов и явлений обеспечило адекватную обработку полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту:

- экспериментально установленные оптимальные параметры процесса
фильтрации поверхностного стока через неорганический наполнитель, прогноз
ные зависимости эффективности очистки поверхностного стока, в установленном
диапазоне факторов (показатель фильтрации, водородный показатель, температу
ра);

новый способ для перехвата, очистки аккумулированного поверхностного стока (патент РФ № 2467543);

модель распределения водных ресурсов для целей орошения, учитывающая вариабельность используемых источников аккумулированного поверхностного стока (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014618436).

Степень достоверности и апробация результатов подтверждается достаточным объемом результатов экспериментальных исследований, применением стандартных методов математической и статистической обработки полученных результатов, высокой сходимостью результатов теоретических изысканий и практических исследований.

Основные положения и результаты работы были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях РосНИИПМ, (Новочеркасск, 2008 г.); Мещерского филиала ГНУ ВНИИГиМРоссельхозакадемии (Рязань, 2008 г.); общественной научной организации «Наука и хозяйство» (Санкт-Петербург, 2015 г.). Результаты исследований апробированы и внедрены в ЗАО «Нива» Веселовского района и ОАО «Аксайская Нива» Ростовской области.

Материалы диссертации опубликованы в 14 научных статьях, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ – 4. Получен патент на

7 изобретение №2467543 и свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014618436. Общий объем опубликованных работ составляет 4,7 п.л., из них 2,57 п.л. принадлежит автору.

Практические возможности аккумулирования поверхностного стока на водосборной территории

Современные научные исследования подтверждают объективную необходимость построения целостной системы управления запасами водных ресурсов в АПК РФ. Данная позиция в полной мере отражено в «Водной стратегии развития Российской Федерации до 2020 года» [1] и «Концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 года» [3]. Располагая значительными водными ресурсами и используя в среднем не более 3 % речного стока ежегодно. Европейская часть нашей страны испытывает острую необходимость в поливной воде. Особенно это касается южных регионов. В перспективе согласно стратегии применения водных ресурсов предполагается увеличение применения объемов воды АПК с объемом изъятия к 2015 г до 24 км3 в год и к 2020 г. до 27 км3/год. По перспективным расчетам РосНИИПМ [115], величина ресурсов пресной воды только на орошение земель ориентировочно составит: по оптимистическому сценарию – 40 км3, по реалистическому – 35 км3, по пессимистическому – 22 км3 ежегодно. В этой связи представляется важным поиск путей эффективного использования водных ресурсов, за счет более полного использования поверхностного стока в маловодных южных регионах страны.

На Северном Кавказе сельскохозяйственная практика подтверждает эффективность использования поверхностного стока для полива. Орошение за его счет в Ростовской области ретроспективно имеет следующую динамику, так, если в 1951 г. площадь орошаемых земель на местном стоке оставляла 1,5 тыс. га, то к 1967 г. она достигла 4,2 тыс. га. В 1967 году орошалось водами поверхностного стока, с аккумулированного в прудах, еще 10,1; в 1968 г. – 8,7; 1975 г. – 6,0 и в 1988 г. – 5,3 тыс. га. К концу 70-х гг. прошлого века Ростовская область имела площади орошаемых земель на местном стоке около 34,3 тыс. га, а к концу 80-х гг. – 36-37 тыс. га. Эти показатели позволяли экономить порядка 100–110 млн м3 пресной воды. Затем наблюдался резкий спад до 2003–2005 гг. обусловленный отсутствием финансирования и собственников мелиоративных гидротехнических сооружений.

Ряд хозяйств области имели страховые участки гарантированного урожая площадью 15–20 % всей пашни. Такой орошаемый участок, как показала практика орошаемого земледелия в области, дает высокую продукцию.

Задача регулирования поверхностного стока степных районов сводится к перераспределению в прудах и в водохранилищах объемов стока многоводных лет к маловодным таким образом, чтобы можно было осуществить водозабор на ирригацию максимально и в то же время равномерно по годам.

На территории России имеется свыше двух тысяч водохранилищ объемом более одного миллиона кубических метров. В нашем аспекте большая часть искусственных водных объектов, которые сформированы за счет накопленных ресурсов поверхностного стока, относят к категории малых водоемов (объемом от 1 до 10 млн м3). При этом общая их доля составляет более 80 % [115]. В современных организационно-хозяйственных условиях преобладает большое количество прудов сезонного регулирования, прудов-накопителей и малых водоемов объемом до 10 млн м3. Эти сооружения, составляют величину свыше 30 тыс. шт. Они задерживают поверхностный сток поступающий с водоразделов объемом 1,2-1,4 км3 ежегодно. Это совершенно недостаточно для обеспечения потребностей сельхозпроизводителей. Следует заметить, что число прудов в несколько раз больше количества крупных водоемов, поэтому в данном случае они занимают значительное место в обеспечении пресной водой значительных площадей. Особо важна их роль в степной и сухостепной зонах, там объемов поливной воды крайне недостаточно. Если проанализировать среднюю густоту расположения прудов, которая рассчитывается на сто квадратных километров территории водосборного бассейна, то картина будет следующая: на юге Ростовской области средняя густота составит 2,6; в Ставропольском и в Краснодарском краях – 0,7-1,4 соответственно. В некоторых водосборных бассейнах степных водотоков средняя густота варьируется в значительных интервалах: р. Белая Калитва – от 4 до 10, рек Кума, Калаус, Сал – от 6 до 38, в верховьях рек Тузлов, Аюта и Грушевка – от 9 до 14.

На севере Краснодарского края существенное число прудов располагается на водосборах Куго-Еи, Эльбузда. В Ставропольском крае – на водосборах рек Подкумка. На юге нащей области географическое расположение прудов обуславливается продолжительностью талого и дождевого стока распределенной в течении сезонов. Производственное применение накопителей воды для поливов культур и сельскохозяйственного водоснабжения к концу двадцатого столетия наиболее интенсивно осуществлялось на территориях нынешних Южного и Северокавказского федеральных округов. Присутствовало оно также в ЦентральноЧерноземной полосе и, всего на площадях 8 российских субъектов [38, 42, 54, 116, 127]. В настоящее время, общее число прудов в зоне Южного федерального округа характеризуется следующими значениями: в Ростовской области – 2500 шт, общим объемом 0,4 млрд м3; в Краснодарском крае – 1400 водоемов, 0,7 млрд м3; в Ставропольском крае – 723 шт, 0,15 млрд м3. При этом общая суммарная площадь, занятая прудами, составляет величину порядка 70 тыс. га. При этом суммарный объем составляет свыше одного миллиарда кубических метров [74, 84, 115]. На территории Нижнего Дона и Северного Кавказа находится около 6 тысяч запруд и небольших водоемов. Эти сооружения, построенные зачастую хозяйственным способом, представляют собой важное звено для применения накопленной пресной воды, позволяющим преобразовать степные территории. Они имеют несомненное хозяйственное значение и получили широкое распространение на водосборных бассейнах не только малых рек но и достаточно крупных водохранилищ.

Осуществленные сотрудниками ФГБНУ «РосНИИПМ» в 2007–2015 годах изыскания говорят о том, что пруды-накопители ряда территорий Южного федерального округа, которые ранее использовались для поливов культур и сельскохозяйственного водоснабжения, заилены и не используются или эксплуатируются непроизводительно и являются бесхозяйными [84]. Одновременно с этим данные сооружения обладают существенным запасом и перспективой накопления ресурсов талых и дождевых вод. Определенное количество прудов находится в сравнительно удовлетворительном техническом состоянии. Они, после проведения соответствующих мероприятий по техническому ремонту и реконструкции гидротехнических сооружений могут осуществлять свои функции по обеспечению потребностей орошения. Следует также отметить устаревшие способы полива земель с.-х. назначения. Они реа 14 лизовывались при использовании воды, накопленной в таких емкостях. Значительная часть таких поливных земель, прудов, строилось силами хозяйств. Не осуществлялось детальное изучение специфики водосборной территории. Не разрабатывались проекты на оросительные системы. Помимо всего прочего, технологическое оборудование для водозабора, последующей транспортировки и поливов не отвечали потребностям. Например, при поливах в основном применялись примитивные способы с грузными оросительными и поливными нормами. Совсем не учитывался весь комплекс существующих почвенных, гидрогеологических и т. п. показателей. Стоит заметить, что регулирование воды поверхностного стока позволяет не только уменьшить интенсивность эрозии, но и увеличить внутренний обмен влаги в почвенном горизонте. В последующем это улучшит водный и питательный режимы. В целом это будет способствовать росту плодородия. В аспекте роста дефицита поливной воды решение задач, связанных с не совсем полным применением ресурсов талых и дождевых вод, является достаточно актуальной проблемой, которая требует своевременного решения [65]. Применение резерва поверхностных стоков на основе современного научного и технологического уровня развития науки очень перспективно. Особенно это актуально в засушливых районах Ростовской области там, где это вообще единственный существующий источник организации орошаемого земледелия [11, 32–33, 47, 89, 101, 116-117].

Качественная характеристика поверхностного стока

Ростовская область располагает необходимыми условиями для расширения орошаемых земель. По территории области протекает около 4190 рек и речек, из них 3800 (90 %) имеет длину менее 10 км; остальные имеют длину преимущественно от 10 до 50 км [120].

Основные водные артерии области: река Дон и ее главный приток в пределах области – р. Сев. Донец в данной работе не рассматриваются, так как ресурсы этих рек относятся к речному стоку, а не к местному.

Характеристика ресурсов поверхностного стока Ростовской области по отдельным бассейнам и гидрографическим районам, имеющим развитую речную сеть небольших водотоков, представлена в таблице 2.1.

В этой таблице приводится данные по годовому и весеннему стоку средний (50 %), маловодный (75 %) и очень маловодный годы (95 % обеспеченности).

По результатам агроклиматического районирования Северного Кавказа, составленного Южгипроводхозом, ФГБУ Ростовской областной опытно-мелиоративной станцией Ростовской области, расположенной в зоне недостаточного увлажнения со среднегодовым коэффициентом увлажнения 0,3–0,44 (по Н. Н. Иванову, рисунок 2.1).

Распределение водных ресурсов по области неравномерное. Наиболее обеспечены водой реки северной части области. С одного квадратного километра водосборной площади в среднем стекает 25–40 тыс. м3 воды, т. е. с каждого (25–40 мм).

Южная часть испытывают дефицит поливной воды. Здесь с площади в 1 км2 стекает 10-20 тыс. м3, т. е. 100–200 м3 с каждого гектара (10–20 мм). Всего с активной водосборной площади области стекает в средний по водности год 2740 млн м3, в той числе в весенний период – 1890 млн м3 (без учета задержания стока в прудах и водохранилищах).

По состоянию на 01.01.2013 г., в многочисленных прудах на территории области ежегодно задерживается 163 млн м3 поверхностных вод, из которых около 106 млн м3 приходится на южные реки (Сал, Маныч с притоками, Ка-гальник и др.) и лишь 57 млн м3 изымается из стока рек северной части области, хотя на долю последней приходится 55 % всей водосборной площади (рисунок 2.2). Густота речной сети уменьшается с южного направления на северное от 0,4–0,5 км/км2 (на северо-западных склонах Ставропольской возвышенности) до 0,1–0,2 км/км2 (в устьевой части р. Маныч). В бассейне р. Западный Маныч насчитывается 425 озер (таблица 2.1) и 1630 прудов (64,76 км2) [99-101].

Площадь водосборного бассейна р. Западный Маныч от истока до устья (водохозяйственный участок 05.01.05.009) составляет 50,0 тыс. км2. Площадь бассейна р. Западный Маныч включает площади бассейнов рр. Калаус, Большой, Средний Егорлык и ряд других малых рек. Река Калаус от р. Восточный Маныч отгорожена дабой и поэтому за исток р. Западный Маныч принимается исток р. Калаус, расположенный в Ставропольском крае на г. Брык у х. Верхний Калаус.

Карта-схема водохозяйственного районирования территории Донского бассейнового округа представлена на рисунке 2.2, составлена по материалам [115] и результатам полевых экспедиционных маршрутов ФГБНУ «РосНИ-ИПМ» выполненных в 2011-2013 гг.

Расчет гидрологических параметров и характеристик выполнялся в соответствии с СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик» [7, 99]. Площади водосбора р. Западный Маныч по участкам представлены в таблице 2.2 [99].

Величина поверхностный стока с водосборов Манычских водохранилищ и рек Большой и Средний Егорлык представлена на рисунке 2.2.

Как показывают расчеты в средний по водности год суммарный сток (с учетом задержания в прудах) составляет 191 млн м3, а в маловодные годы он снижается до 55 млн м3.

С сельскохозяйственных территорий в орошаемых районах в поверхностные источники воды поступают большие объемы загрязненных вод, которые содержатся в водах поверхностного стока, сбросы воды из различного вида каналов [12, 110].

При анализе качественных параметров поверхностного стока особый интерес представляют изменения в режиме и стоке взвешенных и органических веществ, так как с ними связаны методы и способы очистки поверхностных вод, в частности при фильтрации на подбор эффективных загрузок (Приложение А) [59].

Основное содержание биогенных элементов взвешенных и органических веществ поступает в результате смыва с поверхности сельскохозяйственных и промышленных площадок. Наибольшее содержание взвешенных и органических веществ приходится в основном на весенний период, когда происходит смыв с площади водосбора талыми и дождевыми водами.

В таблице 2.1 приведены основные элементы баланса взвешенных и органических веществ водосборной площади Веселовского водохранилища по сезонам наблюдаемых лет. Годовая аккумуляция растворенного кислорода составляет 7–18 %, диоксида углерода – 30–57 %, минеральной формы азота – 14–27 %, растворенных форм фосфора – 22–61 %, взвешенных веществ – 20–28 %.

Как видно из таблицы 2.1 поверхностный сток оказывает значительное влияние на показатели качества Веселовского водохранилища, а в создавшихся условиях дефицита поливной воды актуальным является разработка способа перехвата, очистки и аккумуляции поверхностного стока для его дальнейшего использования для целей орошения и снижения техногенной нагрузки на водные объекты [118].

Разработка экспериментальной установки по исследованию фильтрационной емкости загрузки и анализ экспериментальных данных

Объектом исследования водные ресурсы поверхностного стока, которые сформировались в границах водосборных площадей правого берега Ве-селовского водохранилища. Исходная концентрация взвешенных веществ в воде составила 500 мг/дм3 [79, 104. 119]. Нами было установлено что, на величину эффективности удаления взвешенных веществ Э, % оказывают влияние следующие факторы: 1 Значение показателя фильтрации Ф, величина которого будет находиться в пределах от 10 до 50 обозначаем за х1, причем величина х1=+1 соответствует 50, а величина х1=-1 соответствует 10 (рисунок 3.12); 2 Водородный показатель рН 4,5 до 8,5 обозначаем за х2, причем х2=+1 соответствует максимальному значению рН=8,5, а х2=-1 – минимальному значению рН=4,5 (рисунок 3.13); 3 Температура поверхностного стока Т, 0С (от 0С до 40С) обозначаем за х3. здесь х3=+3 соответствует верхней границе температуры (40С), а х3=-3 – ее минимальному значению (Т=0С) (рисунок 3.14). В ячейках таблицы 3.3 показаны план эксперимента типа 23, результаты рандомизации и первичной обработки полученных данных.

По итогам реализации полного факторного эксперимента (ПЭФ) будет построена графоаналитическая модель исследуемого пространства в виде зависимости: Y = j30 + /30x1 + /3xn + P12x1x2 + + P12pctx2x (3.24) Для первичной обработки, вследствие изменения результирующего значения Y, носящего случайный характер, требуется в исследуемой точке факторного пространства осуществить m параллельных опытов. Затем результаты Yig,Y2g,...,Ymg следует усреднить: m где Ygij – полученные опытные значения выходного параметра, которые соответствует m-й точке факторного пространства.

Значение m может иметь какое угодно значение, но не меньше m=3. Тогда эксперимент можно разделить на m серий опытов. В каждой серии опытов реализуется матрица планирования. Таким образом, эксперимент реализуется в N=23 точках исследуемого факторного пространства.

План эксперимента необходимо формировать так, чтобы можно было бы провести рандомизацию. То есть представить случайными систематически действующие факторы, которые сложно регистрировать и плохо контролировать в процессе проведения эксперимента. Это осуществляется с целью рассмотрения их в качестве случайных величин и для статистического учета. 1.5 0.5 -0.5

Проверка возможности воспроизвести условия опыта заключается в реализации второй предпосылки регрессионного анализа. Эта предпосылка предполагает однородность выборочных дисперсий S2g. Поставленная задача заключается в проверке гипотезы о равенстве дисперсий a2{Y1}=a2{Y2}=a2{YN} при проведении опытов в точках Х],х2,...хх ,хп соответственно.

Оценки дисперсий производят по уравнению: Полученные результаты первичной обработки опытных данных сведены в таблицу 3.3. На следующем этапе проводим проверку возможности воспроизвести опыты. Для этого используем критерий Кохрена. Он основывается на законе распределения отношения максимальной эмпирической дисперсии к сумме всех дисперсий: N

В том случае если вычисленное значение критерия G окажется меньше табличного значения Gкр, найденного для q, %-ного уровня значимости, v3H=v2=N - числа степеней свободы знаменателя, то гипотезу об однородности дисперсий следует принять. Вычислим значение воспроизводимости согласно выражению: G = = 0,2807 G (5%;v1=4;v2=8) = 0,3910. 0,21235 "к По результатам расчета, подтверждается возможность воспроизвести опыты. Далее это позволяет определить среднюю дисперсию строчных выборок из выражения: S3{y}=4ftS3g

После расчетов значений коэффициентов регрессии проверяется гипотеза о значимости коэффициентов bt. Проверка реализуется в виде так называемой нуль-гипотезы, т. е. гипотезы о равенстве bi=0. Проверка гипотезы осуществляется с применением t-критерия Стью-дента представленный формулой: \b\ \Ь\ t = 1 = 1 N-m, (3.30) 4 ) J7f} І / / где S2{bi} – дисперсия ошибки при определении коэффициента bi. Если при полном и дробном факторном планировании получаем: &}=л{7} 2 S2 s _ N-m (3.31) S 2 &. }= М = 0,0265 = 0,000663; J2fe] = 0,0258 1г} N-m 8-5 -9,51 -2,72 -4 77 Тогда и =— = 369,03; и = = 105,64; f, = = 45,03, 1 0,0258 2 0,0258 3 0,0258 в соответствии с аналогией t12=122,97; t13=33,49; t23=107,21; t123=62,34. В случае если полученная величина параметра tt превышает табличное значение tкр, найденное для q, %-ного уровня значимости и v3 = Ы(т-1)числа степеней свободы, то нуль-гипотеза должна быть отклонена. При этом коэффициент считают незначительным и отбрасывают.

Значение величины критерия Стьюдента определяем по табличным данным tкр(5%; v3=32)=2,046. На основании сравнения полученных результатов с нормативными значениями коэффициенты признаются значимыми и используются в ходе формирования математической модели проводимых опытов: Y = 73,84 - 9,5х,. - 2,72х2 - 4,71х3 + 3,17 д;2 - 0,86хЛ - 2,76х2х3 +1,6 2 3 Далее проверка гипотезы об адекватности полученной модели проводится с применением F-критерия Фишера. Применение критерия Фишера дает возможность проверить нуль-гипотезу о равенстве двух генеральных дисперсий сДд и {Y}. F-критерий определяется следующим образом: F = Ц F (q;v -v,;). (3.32) S 2{Y} крУЧ ад 3 J Таким образом, если полученная величина критерия F меньше табличного FKp, найденного для q, %-ного уровня значимости, Уцисл =vad = v4=N-d числа степеней свободы числителя и vm =v3= N(m - І) числа степеней свободы знаменателя, то нуль-гипотеза принимается. В противном случае нуль-гипотеза отвергается и полученная модель признается неадекватной. При ходе определения дисперсии адекватности в первую очередь следует определить числовые значения показателей модели Y для каждой g-ou строки матрицы планирования. Потом определяется сумма квадратов разностей между модельным значением и средним арифметическим Y вышепри веденным формулам:

Полученные результаты расчетов позволяют утверждать, что математическая модель эксперимента адекватно описывает исследуемый процесс.

Основываясь на зависимостях перевода значений из относительных координат в характеристики поверхностных стоков математическую модель следует записать в форме следующего выражения:

Уравнение, описывающее процесс очистки поверхностного стока, можно представить в виде поверхности отклика варьируя значения факторов (рисунок 3.15). Таким образом, будет получена графоаналитическая зависимость.

Шаг вариации показателей составит: для показателя фильтрации – 10, 5 и 1; для водородного показателя – 0,5; для температуры – 5 и 10. Полученная математическая модель показывает, что снижение показателя фильтрации способствует снижению эффективности очистки.

Рекомендации по проектированию пруда-накопителя, аккумулирующего поверхностный сток с последующим распределением потребителю

На первом этапе в зависимости от задания информации о функционале (4.40) возможны два различных подхода.

В случае задания матрицы по затратам определяется совокупность клеток, через которые допускается подача воды из і-го пруда-накопителя к j-му потребителю водных ресурсов. Если не имеется данных по затратам, то совокупность клеток, через которые допускается подача воды, определяется по приоритетности, которая определяется частично по производственной функции (Ф(хй)), а также по важности того или иного потребителя.

Задав совокупность клеток, через которые можно допускать истечение потоков воды, по заданным условиям формируется новая матрица, в которой вместо величины hy записывается некоторая величина fy. Данная величина может быть равна нулю, либо единицы в зависимости от условий возможности доставки воды от і-го водного источника к j-му потребителю водных ресурсов.

Выполнив описанные выше действия, переходим ко второму этапу решение задачи, а именно к решению задачи о максимальном потоке через нулевые клетки вновь организованной матрицы.

В первую очередь строим исходный план подачи воды., который заключается в удовлетворении потребностей потребителя р. Двигаясь по столбцу новой матрицы, соответствующему рі7 (таблица 4.4), находим клетку, через которую допускается подача воды, т. е. клетку, для которой Уд = 0. Для этой клетки устанавливается количество ец - подача через нее. Это число для первого приближения принимается равным меньшей из величин A,- v и \,Ауи v соответственно мощность і-го водного источника и 17-го потребителя. Величина А/определяется из следующих допущений: /=12. Ограничительный дуги распределения водных ресурсов выбранного водного источника имеют пропускные способности h12J, hu, h4,5, h5J7, и организуют цепь 12, (12-1), 1, (1-4), 4, (4-5), 5, (5-17). В этом случае:

Так как данная величина проходит через промежуточные вершины 1, 4 и 5, то для них должны выполняться условия (4.24) - (4.26). Соответственно осуществляется поправка Pi, hi, h12j, h14, h4ys, h5j7 - они уменьшаются на величину потока еп. При этом, если . еп = hi (ец - есть наименьшая из величин pi, Si, и hn\ ді=0. Это означает, что потребность 17-го потребителя полностью удовлетворена и следует перейти к удовлетворению потребностей следующего потребителя (р2о).

В случае еп=Рі, тогда ф . Продолжаем движение по столбцу таблицы 4.4 для отыскания других клеток, через которые допускается подача воды, т. е. клеток, для которых рп = 0. Допустим, для клетки, расположенной на пересечении первого столбца со второй строкой, р2г0. Далее выполняем действия, описанное раннее. Далее переходим к удовлетворению потребностей 20-го потребителя водных ресурсов, расположенного во втором столбце (таблица 4.4).

Таким образом, в общем виде, при удовлетворении потребностей у-го потребителя водных ресурсов просматривается у-й столбец и в нем отыскиваются клетки, для которых Pij=0. В этих клетках записываются значения неизвестных по следующим правилам: удовлетворена. Далее осуществляем проверку - закрыты ли все столбцы, которые содержат допустимые клетки (множество допустимых клеток определено условиями задачи). Если это так, то переходим к третьему этапу. В противном случае проверяем, есть ли среди чисел Д отличные от нуля. Если их нет, то это означает, что все водные ресурсы поверхностного стока, аккумулированные в имеющихся прудах-накопителях в системе использованы и имеется дефицит водных ресурсов. Тогда проверяем уровень обеспеченности водными ресурсами потребителей, находящихся в открытых столбцах.

Уровень обеспеченности водными ресурсами выразим в таблице 4.5. Если уровень обеспеченности водными ресурсами всех потребителей, имеющих допустимые клетки, не ниже, чем четвертый уровень дефицитности, переходим к третьему этапу. В противном случае осуществляется процедура перераспределения дефицита между потребителями водных ресурсов до тех пор, пока не поднимется обеспеченность водными ресурсами всех потребителей до четвертого уровня. При этом могут быть ограничены все потребители водных ресурсов независимо от их приоритетности.

Соответственно принятому принципу для всех открытых столбцов с допустимыми клетками проверяется условие: ХХ ХжЖ/ (4.29) где еи - подача из і-го пруда-накопителя ку-му потребителю водных ресурсов в момент времени ; %\ - плановое водопотребление го потребителя водных ресурсов в момент времени ; Ъ . - коэффициент обеспеченности водными ресурсами; j - го потребителя в момент времени , соответствующий четвертому уровню обеспеченности водными ресурсами. В противном случае, начиная с потребителя водных ресурсов, расположенного в первом столбце слева (таблица 4.4), у которого не выполняется условие (4.22), определяется объем воды, при компенсации которого может быть достигнут четвертый уровень обеспеченности водными ресурсами. Допустим, что это j-й столбец. Тогда объем компенсации равен:

Определяя объем воды lxo], приступаем к поиску источника водных ресурсов, при помощи которого можно его компенсировать (поверхностный сток). Для этого, двигаясь поу-му столбцу (таблица 4.4), отыскиваем клетку, через которую допускается поток (fiif=0). Однако, поскольку Д =0 для всех , поэтому увеличение потока ev, где только при одновременном уменьшении на ту же величину какого-либо из потоков еі,к(ІєЕк)не равных нулю и стоящих в той же і-й строке. Такое уменьшение потока . возможно только в случае совпадения во времени ограничения -го и повышения обеспеченности водными ресурсами у-го потребителей. В противном случае требуется наличие свободной емкости прудов. На последнее этапе, если обозначить совокупность водных источников с прудами-накопителями и обеспечивающих водой к-го иу-го водопотребите-лей соответственно Rk и І 1 є Rk Rj то поток ei уменьшается на величину:

Если AS]=0, то переходим к следующему столбцу (потребителю водных ресурсов), у которого не выполняется условие (4.22). Если среди оставшихся открытых столбцов нет таких, тогда корректируется мощность всех водопотребителей, находящихся в открытых столбцах и переходим к следующему этапу. Мощность водопотребителей корректируется по формуле: Если AS] Ф 0 то продолжаем искать допустимые клетки в i-й строке. Найдя такую клетку, устанавливаем для нее б по формуле (4.31) и опять пересчитываем AS] = 0, б по формуле (4.32). Так поступаем до тех пор, пока либо AS] = 0, либо не просмотрим всю /-ю строку и переходим к повышению обеспеченности водными ресурсами следующего потребителя, у которого не выполняется условие (4.22).