Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы управления орошением на крупных внутрихозяйственных оросительных системах ... 10
1.1 Структура, состав и функции системы оперативного управления поливами 12
1.2 Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений 18
1.3 Постановка оптимизационной задачи производства поливов сельскохозяйственных культур при оперативном управлении орошением 26
Глава 2. Объекты и методы исследований 39
2.1 Объекты исследования 40
2.2 Теоретические и экспериментальные методы исследований 43
2.3 Программное обеспечение 47
Глава 3. Моделирование функционирования закрытой оросительной сети при производстве поливов 50
3.1 Гидравлическая модель закрытой оросительной сети 52
3.2 Результаты сценарных исследований работы закрытой оросительной сети 62
3.3 Оценка достоверности расчетов по гидравлической модели 64
3.4 Расчет нормы обслуживания дождевальной техники в зависимости от технологических параметров полива 65
3.5 Оценка эрозионных процессов при поливе дождеванием 73
3.6 Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления 75
Глава 4. Оптимальное управление производством поливов 82
4.1 Варианты оперативного плана орошения 83
4.2 Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов 86
4.3 Выходные документы системы управления поливами 100
4.4 Эффективность предлагаемой системы оперативного управления поливами 101
Выводы 106
Список литературы 109
Приложения 119
- Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений
- Теоретические и экспериментальные методы исследований
- Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления
- Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов
Введение к работе
Актуальность исследований. В последние годы возрос интерес сельхозпроизводителей к восстановлению и реконструкции оросительных систем и, соответственно, обеспечению их эффективной эксплуатации, во многом определяющей рациональное использование мелиорируемых земель. Системное рассмотрение и анализ основных путей повышения эффективности использования орошаемых земель позволяет сделать вывод о необходимости создания новых и модернизации существующих систем управления орошением. Практическая реализация таких систем позволит обеспечить рациональное распределение оросительной воды по полям и культурам, назначение сроков поливов сельскохозяйственных культур в зависимости от потребности растений с учетом технических возможностей оросительной сети и др.
Системы управления орошением базируются на решении множества взаимосвязанных задач планирования и последующего водораспределения, в том числе путем согласования сроков и объемов подачи воды с работой поливной техники. Оперативное управление поливами на крупных оросительных системах можно разделить на два этапа: планирование поливов по агрометеопараметрам и последующая их организационно-технологическая реализация. В эффективном использовании водных, технических, энергетических и трудовых ресурсов оперативное управление играет важную роль, обеспечивая благоприятные условия для формирования урожая сельскохозяйственных культур. Разработка информационных систем оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур, направленных на эффективное использование технических средств гидромелиоративной системы, рациональное использование земельных, водных и трудовых ресурсов является актуальной задачей.
Целью исследований является разработка моделей и расчетных схем системы оперативного управления производством поливов сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе, позволяющих оптимизировать организационно-технологические параметры выполнения поливных работ с учетом технических характеристик оросительной системы, включая насосную станцию, распределительную сеть и поливную технику.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— проведена оценка качества функционирования существующих систем оперативного управления поливами и выявлены резервы повышения эффективности эксплуатации оросительных систем и поливной техники;
— выполнен анализ существующих подходов к решению вопросов, связанных с формированием графика проведения поливных работ на закрытой оросительной системе, в том числе с использованием разработанных ранее информационных систем оперативного управления орошением;
— разработана гидравлическая модель оросительной сети с произвольно подключенной комбинацией поливной техники, проведены сценарные исследования работы системы и выполнена экспериментальная проверка их результатов на реальном объекте управления;
— сформулирована и решена оптимизационная задача формирования графика работы поливной техники, обеспечивающего реализацию заданного режима орошения сельскохозяйственных культур с учетом гидромодуля оросительной системы, параметров насосной станции, распределительной сети, дождевальных машин и наличия трудовых ресурсов;
— разработаны модели, схемы и алгоритмы для автоматизированного формирования графика полива и расчета технологических параметров работы дождевальных машин при реализации оперативного плана полива сельскохозяйственных культур на оросительных системах закрытого типа;
— создан инструментарий системы управления производством поливов, позволяющей в оперативном режиме формировать сценарий функционирования оросительной сети на заданный период поливного цикла (7-14 суток).
Объектом исследования являются крупные внутрихозяйственные закрытые оросительные системы (ОС), их структурные и гидравлические характеристики, поливная техника, организационно-технологические аспекты производства поливных работ. Предметом исследования является оперативная деятельность службы эксплуатации оросительной системы по назначению и производству поливов сельскохозяйственных культур, а также функционирование оросительной сети в поливной сезон.
Методика исследований основана на обобщении и анализе проектной документации и отчетных материалов по эксплуатации оросительных систем, результатов отечественных и зарубежных исследований в области создания систем водораспределения и управления поливами, а также в области моделирования оросительных систем с использованием программных средств, разработанных во ВНИИГиМ. В работе использовано современное математическое и программное обеспечение для разработки численных моделей, решения статистических и оптимизационных задач, обработки картографической информации.
Личный вклад соискателя состоит в разработке имитационной гидравлической модели работы оросительной сети, теоретическом и методическом обосновании алгоритма расчета гидравлических характеристик насосной станции и водораспределительной сети при произвольной комбинации включенной поливной техники, проведении полевых исследований, а также выполнении сценарных численных экспериментов по расчету оптимальных графиков полива сельскохозяйственных культур для сети с пассивными и активными элементами регулирования давления на гидрантах и участках распределительной сети. Выполнен анализ и обобщение результатов исследований, которые представлены в форме информационной технологии поддержки принятия решений при оперативном управлении поливами.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
— разработана имитационная гидравлическая модель оросительной сети и создан эффективный алгоритм определения рабочих точек насосной станции и распределительной сети при любой произвольной комбинации одновременно включенных дождевальных машин;
— доказана возможность формирования оптимального графика проведения поливов в оперативном режиме на протяжении всего поливного сезона в режиме реального времени и получены оптимальные параметры управления процессом орошения;
— предложена целевая функция оптимизации, основанная на технико-экономических показателях, включающих показатель качества исполнения планового режима орошения, планируемую урожайность и стоимость выращиваемой продукции, отзывчивость культур на орошение, площадь орошаемого контура, производительность поливной техники и фактор времени;
— впервые поставлена и решена оптимизационная задача по формированию сетевого графика производства поливных работ при оперативном управлении орошением. В решении используется разработанная автором гидравлическая модель оросительной сети для расчета режима работы насосной станции и поливной техники.
Основные положения, выносимые на защиту:
— алгоритм и программная реализация блиц-расчета гидравлических характеристик закрытой распределительной сети, основанные на операциях с функциями, описывающими напорно-расходные характеристики элементов сети, включая поливную технику;
— имитационная гидравлическая модель закрытой оросительной сети для расчета характеристик режима работы насосной станции и поливной техники;
— алгоритм расчета оперативного графика производства поливов и технологических параметров работы дождевальной техники, основанный на решении оптимизационной задачи;
— информационная технология поддержки принятия решений по формированию в оперативном режиме эффективного графика проведения поливов дождевальными машинами на внутрихозяйственной оросительной системе закрытого типа.
Практическая значимость проведенных исследований состоит в том, что разработанные модели, расчетные схемы и алгоритмы позволяют повысить качество управленческой деятельности службы эксплуатации внутрихозяйственной оросительной системы и, тем самым, повысить эффективность использования земельных, водных, энергетических и трудовых ресурсов, обеспечить снижение антропогенной нагрузки на орошаемые земли агроландшафта за счет применения в хозяйствах предложенных методов комплектации графика полива. Разработанная гидравлическая модель оросительной сети может использоваться при проектировании гидромелиоративных систем и подборе оборудования насосной станции. Результаты исследований использовались при расчете технологических параметров производства поливов дождевальными машинами «Волжанка», «Фрегат», ДКН на Заволжской оросительной системе (Николаевский р-н, Волгоградская обл.).
Апробация результатов исследований проведена на научно-практических конференциях национального и международного уровня: на Международной (5-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации» (Коломна, 2008); Международной научно-практической конференции «Защитное лесоразведение, мелиорация земель и проблемы земледелия в Российской Федерации» (Волгоград, 2008); 2-ой Международной (6-ой Всероссийской) конференции молодых ученых и специалистов «Новые технологии и экологическая безопасность в мелиорации (Коломна, 2009); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы мелиорации и водного хозяйства» (Москва, 2009).
По результатам исследований опубликовано 8 печатных работ общим объемом 2,6 п.л., в том числе 2 публикации в журналах по Перечню ВАК РФ. Получен патент на полезную модель № 79373 «Дождевальная машина».
Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии и приложений; изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 20 рисунками, содержит 11 таблиц, список литературы включает 82 наименования, в том числе 14 зарубежных.
Оптимальное управление орошением: теоретические аспекты планирования и практическая реализация управленческих решений
Под оптимальным использованием оросительной воды естественно понимать применение таких оросительных норм и режимов орошения, которые обеспечивают максимальный выход продукции растениеводства в условиях существующих ограничений на ресурсы, технические и технологические характеристики оросительной системы и ограничения по интенсивности воздействия на окружающую среду.
Зависимость урожайности сельскохозяйственных культур от водопотребления изучается в течение многих лет в нашей стране и за рубежом, как на экспериментальной основе, так и с теоретических позиций (см., например, [20, 39, 44, 48, 51, 69, 70, 72, 73]). Анализ результатов этих исследований показывает, что не только для различных культур, но и в различных природных и хозяйственных условиях для одних и тех же культур получаются разные количественные соотношения между суммарным объемом водопотребления и урожайностью. Причем обе переменные этого соотношения являются функцией режима орошения. Поэтому при построении производственных функций (зависимость урожайности от водопотребления) обязательным является предположение о том, что закон соответствия между оросительной нормой и урожайностью является однозначной функцией только лишь в том случае, если ресурс используется наилучшим образом, т.е. оптимально. Это значит, что зависимость у{Е) между водопотреблением Е и урожайностью у является производственной функцией лишь при наилучшем режиме орошения, который может быть достигнут при оптимальном управлении поливами.
С физиологической точки зрения наилучший режим орошения есть полное и своевременное удовлетворение потребности растений в воде. Нетрудно представить идеальную, по мнению Н.С.Пётинова [51], достаточно реальную ситуацию, когда можно определить эту потребность в любой момент времени (например, по величине сосущей силы клеточного сока листьев) и идеальную оросительную систему, которая может автоматически точно удовлетворить эту потребность. Если не принимать во внимание возможность более тонкого управления развитием растений для получения максимального урожая с учетом возможных погодных аномалий, то можно принять такой режим орошения за наилучший при условии, что подача оросительной воды ничем не ограничена.
Существующие оросительные системы имеют множество реальных ресурсных, технических и технологических ограничений на объем и сроки водоподачи и, следовательно, возникает принципиально иная ситуация, о которой К.А.Тимирязев писал: "...теоретик порою готов подать совет, может быть полезный для растения, но убыточный для хозяина".([60], с.90). Очевидно, что цель управления орошением — получение наибольшего урожая за счет наилучшего распределения водоподачи во времени в рамках заданных ограничений. Достижение поставленной цели может быть реализовано путем постановки целого класса оптимизационных задач, поэтапное решение которых в совокупности составляет основу оптимального управления орошением.
При дефиците оросительной воды, т.е. при оросительных нормах меньше биологически оптимальной нормы (М М), а также при других ограничениях каждой норме соответствует свой оптимальный режим водопотребления, обеспечивающий получение максимума урожая. Оптимальным режимом орошения при этом будет такая подача воды, которая в каждый момент времени в точности обеспечивает оптимальный (в смысле получения максимальной урожайности) режим водопотребления, соответствующий данной оросительной норме М М. Отсюда с необходимостью следует, что в рамках любых ограничений на режим орошения для получения наибольшего урожая всегда надо стремиться к тому, чтобы этот режим как можно точнее следовал ходу оптимального обеспечения влагой растений.
По метеоусловиям типовых лет или конкретного года (ретроспективные данные) могут быть рассчитаны суммарное водопотребление, оросительная норма и поливной режим, обеспечивающий влажность корнеобитаемого слоя почвы в определенном диапазоне. Рассчитанный таким образом поливной режим основан на учете усредненных характеристик факторов по интервалам вегетационного периода. Очевидно, что использование подобных методов позволяет говорить лишь о расчетном режиме орошения сельскохозяйственных культур для заранее заданных погодных условий, но никак не об оптимальном режиме орошения, который можно было бы осуществить.
А.Н. Костяковым [34] режим орошения определен как совокупность числа, сроков и норм поливов. Определение учитывает, что потребность растений в воде в течение вегетационного периода изменяется в соответствии с фазами их развития и напряженностью метеорологических факторов. В отдельные периоды эта потребность для данных природных условий не удовлетворяется за счет естественных источников увлажнения, т.е. появляются дефициты, размеры и сроки которых определяют необходимость, размеры и сроки их ликвидации за счет орошения. И чем точнее будет происходить ликвидация дефицита, тем лучше будет удовлетворена потребность растений в воде.
Теоретические и экспериментальные методы исследований
Имитационное моделирование - наиболее мощный и универсальный метод исследования и оценки эффективности систем, поведение которых зависит от воздействия случайных факторов. К таким системам можно отнести и мелиоративную сеть. Во многих практических задачах интерес представляет не только (и не столько) количественная оценка эффективности системы, сколько ее поведение в той или иной ситуации. Для такого наблюдения исследователь должен располагать соответствующими «смотровыми окнами», которые можно было бы при необходимости закрыть, перенести на другое место, изменить масштаб и форму представления наблюдаемых характеристик и т.д., причем не дожидаясь окончания текущего модельного эксперимента. [71, 24]
В рамках поставленной задачи по разработке имитационной модели оросительной сети необходимо дать математическое описание структуры и функций ОС. Как правило, структура пространственно-распределенных объектов, к которым можно отнести оросительную систему, описывается с использованием ГИС технологий. В нашем случае для имитационной модели оросительной сети её функции можно задать с помощью блока, описывающего динамику гидравлических режимов работы сети (гидравлическая модель сети), и блока оптимального управления организацией производства поливов (решение оптимизационной задачи). Применение ГИС технологий
Работа по описанию структуры ОС и оросительной сети выполнялась в ArcGIS Desktop - с набором интегрированных приложений: АгсМАР, ArcCatalog и ArcToolbox. Использовалась референцная система 1942 г. В качестве координатной поверхности в этой системе используется поверхность эллипсоида Красовского (СК 42).
Основной топографической информацией послужили следующие материалы: топографические карты 1:50 000 и 1:100 000; космические снимки в системе WGS 84. Топографические карты были привязаны в АгсМАР с помощью инструмента Georeferencing Tool. Создана структура базы данных для ввода и анализа экспериментальных данных. С помощью ArcCatalog была сформирована база геоданных, включающая: растровые карты формата .tif и .jpg; таблицы атрибутивной информации; шейп-файлы.
ArcCatalog предоставляет возможность сразу задать тип отображения объектов слоя: полигон, линия или набор точек; быстро просматривать доступные данные. Функция «Поиск» позволяет быстро находить нужные данные, как по их географическим признакам, так и по системным параметрам (например, местоположение, дата, тип данных).
АгсМАР 9.2 - основной рабочий модуль ArcGIS Desktop. Это ГИС-приложение, используемое для решения многих картографических задач, включая пространственный анализ и редактирование данных. АгсМАР позволяет работать с картографическим представлением информации. Окно АгсМАР состоит из двух частей: связанные таблицы и окна отображения данных. Связанная таблица сходна с легендой карты: в ней перечисляются все слои карты и фреймы данных (специальные структуры, объединяющие слои), отображаются условные обозначения и подписи слоев. Через связанную таблицу обращаются к контекстному меню слоя и к диалогу свойств слоя.
Для отображения данных, а также для оформления карт в АгсМАР имеется обширная библиотека символов и готовых элементов карт (масштабных линеек, стрелок севера, рамок и т.д.). Символы и элементы карт, предназначенные для карт определенного типа, объединены в стили по темам. Каждый стиль может содержать внемасштабные, линейные и площадные условные обозначения, наборы текстовых символов, различные варианты картографических сеток, цветовые шкалы, различные шаблоны легенд, рамки карт и т.д. В приложении АгсМАР 9.2 с помощью дигитайзера были созданы тематические слои: распределительная сеть; горизонтали; дороги. Методики гидравлических расчетов При разработке имитационной модели оросительной сети нами используются паспортные характеристики насосной станции, трубопроводов и трубопроводной арматуры, а также дождевальной техники. Ниже излагаются основные методические подходы к гидравлическим расчетам режимов работы основных элементов оросительной сети - насосной станции, распределительной сети, дождевальной техники и регулирующей арматуры.
Насосная станция. Изменение напора насоса Нн связано с изменением расхода воды через него QH и изменением частоты вращения п ротора насосного агрегата. Изменение величины п зависит от момента двигателя Мдв и насоса Мн. Величина Мдв является функцией п, а величина М„ функцией п и QH. Зависимости между величинами QH, Нт Мн, и п определяются характеристиками насоса. Характеристики, описывающие работу насоса для всех возможных режимов, называются четырех-квадрантными или полными. Эти характеристики позволяют по известным формулам рассчитать КПД насосной станции и количество потребляемой энергии (рис. 2.1).
Сценарные исследования и экспериментальная проверка модельных результатов расчета эрозионных потерь на реальном объекте управления
В предварительных расчетах были приняты агротехнические требования, лимитирующие параметры искусственного дождя. Интенсивность при норме полива до 300 м3/га составляет: до 0.3 мм/мин - для песчаных почв, до 0.2 мм/мин - для легких суглинистых почв, 0.1-Ю.2 мм/мин - для средних и тяжелосуглинистых почв [41, 68]. Согласно [46; 47], оптимальное значение интенсивности дождя не превышает 0.25 мм/мин. При импульсном дождевании интенсивность может повышаться до 0.5 мм/мин [38; 41]. Тогда полагая, что полив происходит по всему орошаемому сектору, площадь которого определяется длиной машины и радиусом струи дождевальных аппаратов. Средняя фиктивная интенсивность должна удовлетворять условию: где F —площадь орошаемого сектора, м2; IF - средняя фиктивная интенсивность дождя, мм/мин; Q - расход дождевальной машины л/мин; 1доп - средняя допустимая интенсивность дождя, мм/мин.
Скорость впитывания и расчет количества впитавшейся воды в почву (в зависимости от начальной влажности верхнего слоя почвы, состояния поверхности почвы, рельефа, состояния растительного покрова и интенсивности дождя) определяется эмпирическим уравнением вида (Добрачёв Ю.П.): где V{i) - скорость впитывания, мм/мин; VQ(jVs) - начальная скорость впитывания, зависящая от влажности почвы, мм/Мин; t - время от начала дождя,мин; q - интенсивность дождя, мм/мин; Ц - листовой индекс растительного покрова, м2/м2; кф - коэффициент фильтрации, мм/мин; а, Ъ, а, /? эмпирические коэффициенты; е - основание натурального логарифма. Объем жидкого стока (W) определяется по формуле: где V(tt) - скорость впитывания, мм/мин; q(t,) — интенсивность дождя, мм/мин; tt — текущий промежуток времени, мин; At — шаг эксперимента. На рисунке 3.11 приведены результаты расчета скорости впитывания для серых лесных почв. В зоне 1 орошение стремиться к оптимальному, так как интенсивность дождя не превышает допустимую. Зона 2 отражает дефицит влаги, а именно то, что в этот промежуток времени полив следует осуществлятьс большей интенсивностью дождя. Зона 3 - образование луж и поверхностного стока. С 30 по 37 минуту полива наблюдается увеличение поверхностного стока. С 37 по 46 минуту поверхностный сток снижается до ноля, так как интенсивность дождя ниже допустимой. В этот период в зоне 4 происходит впитывание излишков влаги, переходящее после 46 минуты в фазу фильтрации. После 50 минуты четко выражен переход обратно в зону 3, когда появляется излишек влаги и начинают образовываться лужи. Для серых лесных почв со слабыми локальными изменениями уклонов (менее 0.05) такой объем поверхностного стока не приводит к эрозии. На рисунке 3.12 показан пример расчета с постоянной интенсивностью дождя / = 0.27мм/мин. Следствие такого подхода: недооценены объемы поверхностного стока; переполив из-за неверного определения поливной нормы В существующей практике расчетов применяются, как правило, постоянные значения давления на входе машины и характеристики дождя, что не отвечает реальным условиям работы дождевальных машин.
Для контроля эрозионного воздействия в допустимых границах необходимо сопряжение технологических параметров ДМ с гидравлическим режимом функционирования оросительной сети, обеспечивающее бесстоковую реализацию полива заданной нормой. Это выполнимо при условии строгого контроля за интенсивностью и качеством дождя, временем на позиции и учете впитывающей способности почвы. Такие требования ужесточаются на орошаемых землях с повышенными уклонами. При расчете эрозионной нагрузки учитывались технологические параметры полива и гидравлический режим работы ДМ. Гидравлическая модель, базирующаяся на предложенной методике, позволила в численном эксперименте с требуемой дискретностью получить гидравлические характеристики сети при любой комбинации включения дождевальных машин.
Постановка и решение задачи оптимального управления производством поливов
Оптимизационная задача включает обязательное условие увязки расхода дождевальной техники, поливной нормы (брутто) и орошаемой площади поля с режимом работы насосной станции и наличием трудовых ресурсов. Это достигается путем использования имитационной гидравлической модели закрытой оросительной системы, которая позволяет сопрячь технические характеристики оросительной сети с агротехническими и биологическими требованиями орошаемых культур. С помощью имитационной гидравлической модели оросительной сети для каждой единицы поливной техники рассчитываются технологические параметры ее работы (давление, расход, время на позиции, скорость движения, производительность за рабочий день, нормы обслуживания) по суткам с учетом поливных норм (нетто), сроков начала и окончания поливов, продолжительности рабочего дня, изменения комбинации одновременно работающих машин. Исходными данными для решения оптимизационной задачи являются: оперативный план орошения полей севооборотов, который включает: сроки \t) и поливные нормы (т.) на период поливного цикла (10- 20 сут.), орошаемые площади, таблицы распределения сельскохозяйственных культур по полям; планируемую урожайность; прогнозируемую рыночную стоимость продукции; принадлежность поливной техники к полям; паспортные напорно-расходные и другие характеристики ДМ (техническое состояние, обслуживаемая площадь поля); гидромодуль сети; наличие операторов ДМ и продолжительность рабочего дня; коэффициент потерь воды при поливе (оперативная характеристика напряженности метеоусловий, состояние растительного покрова); гидравлическую модель оросительной системы. Критерий оптимизации. В качестве критерия оптимизации используется функция оценки приоритета включения дождевальной техники. Максимальное значение функция принимает для самой эффективной машины, которая за полив предотвращает максимальный ущерб от недобора урожая. Допустим, что в случае пропуска даже одного из назначенных (по оперативному плану орошения) поливов в течение поливного периода приводит к максимальным потерям урожая, равным разности между урожаем при орошении и без него (урожайность при отсутствии полива принимается нами, в первом приближении, равной урожайности на богаре). Тогда стоимость потерь урожая на площади, обслуживаемой одной ДМ, определяется по выражению: F" = Zk-snjk-(l-kk), где Fj - стоимость продукции (руб), потенциально теряемой с части j-ого поля, обслуживаемого ДМ за номером л; Z - удельная стоимость продукции (руб/га), равная произведению плановой урожайности и стоимости продукции, т.е. Zj = ущ -zk,; s"k - площадьу -ого поля (га), обслуживаемого ДМ за номером п; кк - коэффициент, характеризующий отзывчивость культуры на орошение, равный отношению урожайности культуры без орошения к урожайности при орошении (ekk - убк I ук). Тогда для отдельного поля, обслуживаемого ДМ с номерами rij, предотвращенный ущерб будет равен: для всех полей оросительной системы
В результате реализации оперативного плана полива, т.е. в процессе производства поливов значение приоритета включения дождевальной техники будет изменяться пропорционально увеличению политой площади s/tj) с учетом разницы плановой даты (to) полива всего поля и даты возможной его реализации () по частям поля, заданной сетевым графиком полива. Следовательно, величина функции оценки приоритета включения ДМ определяется технико-экономическим показателем (U), характеризующим условный ущерб (недобор урожая) при смещении даты полива от заданной планом орошения. Тогда целевая функция примет вид: Обозначения переменных, используемых в оптимизационной задаче: U - относительный технико-экономический показатель потерь; F- - величина предотвращаемого ущерба, руб; ко - размерностный коэффициент пропорциональности, 1/(руб.сут.); Sj - площадь орошаемого j-ro поля, га; s/t) - площадь участка j -ro поля (га), орошаемого за одни сутки t; Sjfa) - политая площадь (га )у-го поля поливной нормой т j (лі/га) за промежуток времени tt; tt - текущее время, суш; tJQ - назначенная дата начала полива, суш; q/t) -водоподача на орошение j -ro поля {м/с) в течение суток /; Qoc - максимальный расход оросительной сети, м3/с; Ъ(п, t) - норма обслуживания работающей в сутки t дождевальной машины п, чел./сут.; B(t) - число операторов дождевальной техники на момент времени t, чел.; t"aH, fH - номера суток начала и конца полива нау -том поле; ігр нач ,tfp K0H - номера суток начала и конца запрета на проведение полива нау -том поле; J - множество полей; tH, tK -дата начала и окончания поливного цикла соответственно, сут. Алгоритм решения оптимизационной задачи построен на использовании градиентного метода. Для предварительной оценки приоритета полива дождевальной техникой по выражению (4.3) определяется технико-экономический показатель потерь U при орошении j-ro поля (среднее значение за один день или расчетный период по паспортным характеристикам ДМ). На рис. 4.2 в графической форме представлена зависимость величины U от текущей даты полива для каждой ДМ, которые отличаются по производительности и размера обслуживаемой площади. Идентификация поля, орошение которого является наиболее эффективным, а средняя за день величина технико-экономического показателя потерь на нем будет максимальная (с учетом производительности ДМ), выполняется следующим образом. Сначала определяется максимальное значение U для каждого участка поля, обслуживаемого одной ДМ. Рассчитанные таким способом показатели U по всем машинам группируются по полям и суммируются. По убыванию значения технико-экономического показателя U проводится ранжирование номеров орошаемых полей. Поле с наибольшим значением показателя U занимает первое место в очерёдности поливов. По каждому полю выполняется аналогичное ранжирование для дождевальных машин по убыванию показателя U, что позволяет определять приоритеты их включения. Поле с максимальным приоритетом (таблица 4.2) займет первое место в сетевом графике проведения поливных работ; назначение порядка включения ДМ, обслуживающих данное поле, выполняется по тому же правилу, начиная с самой производительной машины. Очевидно, что стартовая дата включения самой производительной ДМ первого по приоритету поля в точности совпадет с датой полива, заданной агрономом по оперативному плану. Включение второй (очередной) машины допускается, если мощность насосной станции и наличие операторов позволяют это сделать (проверяются два основных ограничения). В сетевой график поливных работ (рис. 4.3) сразу заносится продолжительность полива по каждой включенной машине. Продолжительность полива участка поля, обслуживаемого ДМ, предварительно рассчитывается с учетом поливной нормы брутто, обслуживаемой площади и продолжительности рабочего времени за сутки.
Похожие диссертации на Управление поливами сельскохозяйственных культур на закрытой оросительной системе
