Українська академія аграрних наук

Інститут гідротехніки і меліорації

Рокочинський Анатолій Миколайович

УДК 631.62.001.2:502.7:339.9

Оптимізація проектних технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель

06.01.02 – сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті водного господарства (ІВГ) Рівненського державного технічного університету (РДТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант доктор технічних наук, професор Лазарчук Микола Олексійович, Рівненський державний технічний університет‚ директор Інституту водного господарства

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Ковальчук Павло Іванович, Інститут гідротехніки і меліорації УААН‚ завідувач сектором відділу "Зрошення";

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Климков Василь Тихонович, Унітарне підприємство "Білоруський науково-дослідний інститут меліорації і луківництва"‚ завідувач лабораторії меліорації й інтенси-фікації землеробства на меліорованих торф'яних ґрунтах;

доктор технічних наук, професор Власюк Анатолій Павлович, Рівненський державний технічний університет‚ завідувач кафедри прикладної математики, декан факультету "Прикладна математика і компьютерно-інтегровані системи"

Провідна установа: Інститут гідромеханіки НАН України‚ м.Київ‚ вул.Желябова‚ 8/4

Захист відбудеться "26" червня 2002р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту гідротехніки і меліорації УААН за адресою: 03022, м. Київ-22, вул. Васильківська, 37.

Автореферат розісланий "24"травня 2002.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І. Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Сутність і стан наукової проблеми. Разом з необхідністю підвищення економічної ефективності сьогодні надзвичайно гостро стоїть проблема обгрунтованості меліоративних заходів за екологічними вимогами. Розв'язання такої складної міждисциплінарної проблеми можливе тільки завдяки здійсненню на практиці прийнятої сучасної концепції розвитку меліорацій взагалі, яка грунтується на оптимізації меліоративних режимів сільськогосподарських угідь, а також технологічних та конструктивних рішень з їхнього забезпечення (І.П.Айдаров, О.І.Голованов,Ю.М. Никольський, 1990; В.Є. Алексеєвський та ін., 1993-1996; П.І. Коваленко, 1992-2000; М.І. Ромащенко, 1998-2000; О.В.Скрипник, 1992-1998; Б.Б.Шумаков,1996; А.В. Яцик,1998-2000).

У свою чергу, перехід від усталеної практики розгляду меліоративних об'єктів не суто як технічних, а як складних природно-технічних систем, з відповідною зміною усієї методології, технічної та технологічної стратегії їхнього створення й функціонування, потребує безпосереднього врахування мінливих у часі та невизначених за своїм характером природно-кліматичних умов, оскільки саме вони, разом з меліоративними чинниками, справляють визначальний вплив на загальний природно-меліоративний режим осушуваних земель та відповідний еколого-економічний ефект.

Актуальність теми зумовлена необхідністю виконання Указу Президента України від 23.06.1998 року, № 670/98 "Про заходи щодо державної підтримки водогосподарсько-меліоративного комплексу", відповідно розроблених і прийнятих галузевої "Комплексної програми розвитку меліорації земель і поліпшення екологічного стану зрошуваних та осушених угідь у 2001-2005 роках і прогнозу до 2010 року" та Закону України про Загальнодержавну програму розвитку водного господарства, що визначають загальні підходи до розв'язання надзвичайно гострих водогосподарських і екологічних проблем, головні напрямки та шляхи розвитку меліорації земель у країні на найближчу перспективу.

У зв'язку з цим, виникає необхідність підвищення вимог до якості оцінки, прогнозу й оптимізації управління водним і загальним природно-меліоративним режимами осушуваних земель, як обов'язкової умови розв'язання означеної проблеми, через формалізацію цих процесів на всіх стадіях побудови схем прийняття рішень у часі при проектуванні та експлуатації меліоративних об'єктів.

Для цього потрібно удосконалити методи проектування і розрахунку меліоративних систем шляхом широкого використання прогнозно-оптимізаційних розрахунків на багатоваріантній основі, що враховують економічні та екологічні вимоги до реалізації гідромеліорацій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано протягом 1986-2001рр. відповідно до тематичних планів науково-дослідних робіт РДТУ за участю автора як відповідального виконавця, так і керівника за держбюджетною і госпдоговірною тематиками відповідно до комплексних колишніх союзних і республіканських галузевих програм Держводгоспу, АПК, Міносвіти і науки України , в тому числі за державною програмою "Продовольство-95", проблема 16 "Ефективне використання осушуваних земель" та ДНТП 03.01 "Система збереження і раціонального використання агроекологічного потенціалу України".

Мета і завдання досліджень. Головна мета досліджень полягає в розвитку теоретичних основ та розробці методів розрахунку й оптимізації проектних технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах.

Для досягнення вказаної мети вирішувалися завдання:

·

·

· розробка загальних принципів побудови та реалізації моделей оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах;

· розробка принципів побудови та реалізації комплексу імітаційних субмоделей з прогнозної оцінки на довготерміновій основі змінних природно-меліоративних умов та ефективності реалізації проектних технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель;

· удосконалення методів розрахунку й оптимізації при розв'язанні комплексу прогнозно-оптимізаційних задач з водорегулювання осушуваних земель в проектах будівництва, реконструкції та експлуатації меліоративних об'єктів, виробнича перевірка, впровадження та оцінка їхньої ефективності.

Об'єктом досліджень є процеси водорегулювання осушуваних земель як взаємозв'язані процеси руху води у всіх основних складових елементах (підсистемах) меліоративної системи як складної природно-технічної системи.

Предметом досліджень є методи розрахунку й оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах.

Методи досліджень грунтуються на застосуванні теорії систем з основами системного аналізу та моделювання при розробці сучасних підходів до оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах. Системний підхід включає в себе: розгляд меліоративних об'єктів як складних природно-технічних систем; дослідження їх елементів, закономірностей функціонування і розвитку; декомпозицію складних цілей і задач переважно ієрархічної природи, притаманних таким системам; застосування методології низхідної ієрархії аналізу та висхідної ієрархії синтезу при розробці прогнозно-оптимізаційних моделей і методів їхньої реалізації.

При проведенні досліджень використано також основні методи загальної теорії експерименту: аналітичний, експериментальний і статистичний; польові й дослідно-виробничі дослідження; математичне моделювання та машинний експеримент на ПЕОМ. Опрацювання результатів польових натурних досліджень і даних імітаційного моделювання виконане із застосуванням методів математичної статистики, теорії імовірності й кореляційного аналізу на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що в розвиток загальної теорії оптимізації гідромеліорацій автором теоретично й експериментально обгрунтовано нові наукові підходи до оптимізації проектних технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах, які грунтуються на системному розгляді меліоративних об'єктів як складних природно-технічних систем та вперше створеному на цій основі єдиному комплексі ієрархічно зв'язаних оптимізаційних та прогнозно-імітаційних моделей, принципах їх побудови й реалізації на довготерміновій основі.

Відповідно на захист виносяться такі запропоновані особисто автором наукові положення:

·

· вперше розроблено загальні принципи побудови й реалізації комплексних моделей оптимізації водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах за різнорідними (вартісними та фізичними) критеріями з урахуванням кліматологічної стратегії управління об'єктом на довготерміновій основі;

· теоретично й експериментально визначено режимні, технологічні та технічні аспекти водорегулювання осушуваних земель у їхньому взаємозв'язку, за якими отримала подальший розвиток схематизація й параметризація типових природно-меліоративних умов реалізації проектних рішень на довготерміновій основі;

· вперше розроблено принципи побудови й реалізації єдиного комплексу ієрархічно зв'язаних імітаційних субмоделей з прогнозної оцінки на довготерміновій основі ефективності реалізації проектних рішень щодо схематизованих природно-меліоративних умов за метеорологічними режимами, водним режимом і технологіями водорегулювання та продуктивністю осушуваних земель;

· отримали подальшого розвитку підходи до вибору практичних критеріїв, умов та побудови вихідних моделей оптимізації проектних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах щодо різних рівнів прийняття їх у часі;

· удосконалено наявні методи обгрунтування конструктивних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель у проектах будівництва, реконструкції та експлуатації меліоративних систем через застосування прогнозно-оптимізаційних розрахунків на довготерміновій основі з дотриманням економічних та екологічних вимог.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що вони дають змогу підвищити обгрунтованість проектних рішень з водорегулювання осушуваних земель за економічними та екологічними вимогами через узгодження параметрів, рівня конструктивної надійності й відповідно вартості цих рішень з рівнем створюваного загального ефекту при їхній реалізації.

Для стадії проекту нового будівництва й реконструкції меліоративних систем удосконалено методи розрахунку з обгрунтування технологічних і конструктивних рішень на багатоваріантній основі за водобалансовим методом та оптимальних параметрів дренажу, магістральних каналів і водоприймачів за економіко-математичним методом. Дані розробки впроваджено та перевірено на більш ніж 40 об'єктах (площа понад 10 тис.га), розташованих у зоні достатнього та нестійкого зволоження України. Апробація їх у виробничих умовах та навчальному процесі протягом 1990-2001рр. показала, що застосування варіантного пророблення та економіко-математичного підходу з урахуванням конкретних природно-агро-меліоративних умов функціонування реального об'єкта дає змогу підвищити обгрунтованість проектних рішень та ефективність капітальних вкладень і поточних меліоративних витрат у середньому в 1,2..2,0 рази.

Для стадії експлуатації удосконалено методи розрахунку й оптимізації при розв'язанні комплексу практичних прогнозно-оптимізаційних задач у проектах експлуатації осушувально-зволожувальних систем (ОЗС): cтворення системи комплексної автоматизації планового водорегулювання осушуваних земель (СКАПВОС) через розробку на ЕОМ системних планів водорегулювання (СПВ ОЗС) на стадії технологічної підготовки системи до наступного сезону, їхньої реалізації та коректуванні в умовах поточного року на базі інформаційно-дорадчої системи оперативного планування водорегулювання (ІДС ОПВ ОЗС); визначення раціональних (економічно доцільних й екологічно прийнятних) способів, витрат води і площ зволоження наявного фонду осушуваних земель в Україні та площ реконструкції діючих меліоративних систем.

Розроблені принципи, методи, моделі і засоби для складання СПВ ОЗС на ЕОМ пройшли виробничу апробацію на діючих системах двобічної дії в Київській (Ірпінське УОС, Трубізьке УОС), Житомирській (Коростенське УОС) і Рівненській (Рівненське УОС) областях України на загальній площі близько 30тис.га. Розробка СПВ ОЗС разом з функціонуванням ІДС ОПВ ОЗС у структурі СКАВПОС вперше були реалізовані на площі 8тис.га Ірпінської ОЗС у Київській області. Планування та науково обгрунтоване водорегулювання на осушуваних землях дало змогу збільшити віддачу меліорованого гектара на 15...25%, заощадити 20...60% води і 15...30% електроенергії, поліпшити гідрологічний режим водотоків та зменшити негативний вплив системи на прилеглі території.

Результати наукової роботи та її апробації в умовах виробництва були використані і достатньою мірою відображені при підготовці 12 найменувань галузевих нормативно-технічних документів (НТД) і рекомендацій, розглянутих, затверджених і введених у дію рішеннями експертних та науково-технічних рад (НТР) у структурі Держводгоспу України протягом 1987-1996рр.

Вони також впроваджені у навчальний процес і використовуються при викладанні курсів "Проектування гідромеліоративних систем з основами САПР", "Гідромеліоративні системи", спецкурсу "Основи АСУ і САПР в меліорації" в структурі загального курсу "Осушувальні меліорації" для студентів спеціальності "Гідромеліорація" ІВГ і слухачів ФПК РДТУ, а також при розробці відповідного навчально-методичного забезпечення теоретичних курсів, курсового і дипломного проектування.

Особистий внесок здобувача. На підставі узагальнення результатів теоретичних та експериментальних досліджень автором особисто розроблено і сформульовано всі основні положення дисертаційної роботи щодо наукових принципів, методів і моделей оптимізації та прогнозної оцінки ефективності технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах, а також розв'язування на їхній основі комплексу практичних прогнозно-оптимізаційних задач у проектах будівництва, реконструкції та експлуатації меліоративних об'єктів.

При цьому в процесі роботи над дисертацією автор як докторант, керівник і відповідальний виконавець науково-дослідних робіт, а також науковий керівник аспірантів і пошуковців, успішно співпрацював зі своїми наставниками і науковими консультантами - професором Потоцьким Г.С., д.т.н., професором Лазарчуком М.О., д.с.-г.н., професором Вознюком С.Т. та колегами к.т.н., доцентами Черенковим А.В., Теслюкевичем А.С.,Мурановим В.Г.,Гусом В.М.,Сташу-ком В.А., співробітниками Зубиком Я.Я., Бежуком В.М., к.т.н. Окопним О.І., за участю к.т.н., доцента Тимейчука О.Ю., к.с.-г.н., с.н.с. Бистрицького В.С. та ін. Рівень і результати такої співпраці відображені в сумісно підготовлених наукових, науково-технічних та навчально-методичних працях і розробках.

Автор вважає своїм обов'язком висловити щиру подяку своїм наставникам і колегам, всім, хто допомагав йому в роботі.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включені до дисертації, оприлюднені й отримали позитивну оцінку на численних науково-методичних та науково-технічних союзних, міжнародних, республіканських і вузівських конференціях (Каунас, 1987; Тбілісі, 1987; Київ, 1986, 1992, 1993, 1995, 1996, 1998-2001; Рівне, 1987-1989, 1992, 1993, 1995-2001; Дніпропетровськ, 1996; Севастополь, 1996; Мінськ, 1998; Харків, 1998; Горки, 1999), на тематичній виставці ВДНГ України (Київ, 1999), на технічних радах Ірпінського і Трубізького УОС, Київського облводгоспу, інституту "Укрводпроект", координаційних нарадах з проблеми "Ефективне використання осушуваних земель" в ІСГ "Полісся" УААН (1993-1996 рр.), на секціях НТР та експертних радах Держводгоспу України (1987-2001 рр.).

Публікації. Результати дисертації опубліковано у 84 друкованих працях, в тому числі 1 монографії, 2 навчальних посібниках, 16 галузевих НТД і рекомендаціях, 30 статтях у фахових виданнях, захищені 1 авторським свідоцтвом.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, семи розділів, висновків, списку використаних літературних джерел і додатків. Робота викладена на 442 сторінках машинописного тексту, в тому числі вміщує 32 рисунки і 23 таблиці на 40 сторінках в основному змісті, відповідно 30 таблиць на 40 сторінках шести додатків на 55 сторінках та список використаних літературних джерел вітчизняних і зарубіжних авторів з 470 найменувань на 40 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

1. Проблема оптимізації водорегулювання осушуваних земель

та шляхи її розв'язання

Оптимізація водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах потребує насамперед подальшого розвитку загальної теорії оптимізації і тих підходів, які використовуються сьогодні при обгрунтуванні та реалізації гідромеліоративних заходів.

На нашу думку, сучасні, найбільш узагальнені концептуальні підходи до оптимізації меліоративного режиму через формулювання загальних принципів, визначення показників, критеріїв і створення моделей оптимізації розглянуто в рекомендаціях І.П. Айдарова, О.І. Голованова, Ю.М. Никольського (І.П.Айдаров та ін., 1990). Основні положення цих рекомендацій стосовно зони осушувальних меліорацій разом з іншими аналогічними розробками взяті нами за основу проведених досліджень. До цього слід додати, що оскільки меліоративні системи (МС) як системи сільськогосподарського виробництва (ССВ) і гідромеліоративні системи (ГМС) разом з оточуючим середовищем (Л.М. Рекс, 1995) за усіма характерними ознаками відносяться до складних природно-технічних систем (ПТС), їхнє функціонування визначається насамперед природно-кліматичними умовами об'єкта. Це має бути обов'язково адекватно враховане при його проектуванні та експлуатації.

Відповідно оптимізація водного режиму (ВР), технологічних і технічних рішень (ТТР) з водорегулювання, що його забезпечують разом з природно-кліматичними умовами, випливає з проблеми оптимізації меліоративного або загального природно-меліоративного режиму (ПМР) осушуваних земель. Складність розв'язання останньої зумовлена необхідністю узгодження таких двох діаметрально протилежних завдань як посилення біологічного та уповільнення усіма можливими засобами геологічного кругообігів води і речовин на меліорованих землях (за В.Р. Вільямсом і О.М. Костяковим).

Загальними критеріями необхідності, ефективності і доцільності проведення гідромеліорацій є врожай вирощуваних культур та екологічний ефект від впливу МС на оточуюче середовище. Тому, оскільки в складних ПТС чітко простежується структурний зв'язок виду

ефект режим технологiя конструкцiя,

то стосовно розглянутої проблеми оптимізації ВР та ПМР і застосуванні принципів системного підходу до її розв'язання як складної проблеми міждисциплінарного характеру (М.Г. Андерсен, Т.П. Берт, А. Бісвас, Ван Гіг Дж., О.Л. Великанов, Г.В. Воропаєв, Є.П. Галямин, В.А. Гурин, Б.П. Карук, Н.Н. Моісеєв, В.П. Остапчик, В.А. Платонов, Л.М. Рекс, Б.А. Файбишенко, Ю.І.Черняк, Б.Г.Штепа та ін.), вважаємо, що в основу прийняття оптимальних технологічних (способи, режими, схеми) і технічних (тип, конструкція, параметри тощо) рішень з водорегулювання осушуваних земель при проектуванні та експлуатації МС має бути покладене співвідношення (рис.1) у вигляді ієрархічної блочної структури, складові якого взаємозумовлені й взаємозв'язані між собою .

Тут блок "Природно-меліоративний режим" відіграє ключову роль, оскільки визначає загальний еколого-економічний ефект, з одного боку, та ТТР для його забезпечення - з іншого.

Звідси остаточний вибір способів, схем та режимів водорегулювання і зв'язаних з ними типів, конструкцій, параметрів ГМС та їхніх складових елементів може бути здійснений тільки на основі техніко-економічного обгрунтування (ТЕО) і розгляду можливих альтернативних варіантів ТТР на реальному об'єкті за допомогою інженерних прогнозно-оптимізаційних розрахунків, що виконуються за відповідними моделями.

Теоретичною основою для створення таких моделей має бути формалізація запропонованого основоположного структурного співвідношення (див. рис.1), зв'язок між складовими якого через абсолютно різнорідні за своєю природою явища і процеси (біологічні, хімічні, фізичні, технологічні, технічні тощо), що розглядаються, доцільно представити на функціональному рівні, відповідно між параметрами ефекту, режиму, технології та конструкції

, . (1)

Тут - параметри загального еколого-економічного ефекту, який складається відповідно з параметрів продуктивності меліорованих угідь,; та параметрів створюваного екологічного ефекту,;; - функція, що залежить від параметрів ПМР осушуваних земель,; - функція, що залежить від параметрів застосовуваних технологій водорегулювання,; - функція аргументів, яка залежить від параметрів конструктивних рішень МС, щодо реалізації відповідних технологій водорегулювання; - сукупність, можливих варіантів функціонування МС як складної ПТС, тобто реалізації відповідних ТТР з водорегулювання осушуваних земель у відповідних природно-агро-меліоративних умовах реального об'єкта.

Тоді пошук параметрів складових складеної функції (1) і, в першу чергу, параметрів проектних ТТР залежно від створюваного ними еколого-економічного ефекту формально може бути здійснений за такою оберненою функцією виду

,. (2)

В основу реалізації складених функцій (1), (2) мають бути покладені дослідження закономірностей взаємозв'язаних процесів руху води у всіх різних за своєю природою складових елементах (підсистемах) МС як складної ПТС.

І хоча розглянуті складені функції (1), (2) на даному етапі досліджень не можуть бути досить адекватно виражені аналітично, все ж вони теоретично обгрунтовують можливість постановки задачі й пошуку оптимальних параметрів ТТР з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах.

Практика проведення меліорацій та набутий досвід показують, що головна особливість такого роду задач тісно пов'язана з природною сезонною циклічністю сільськогосподарського виробництва на меліорованих землях. Це дало змогу виділити три "часових рівні" за ознакою розподілу в часі між моментами прийняття і виникнення післядій прийнятих ТТР: 1- довгострокові перспективні та проектні рішення; 2- технологічна підготовка до наступного сезону; 3- оперативний режим управління (С.В. Нерпин і А.Ф. Чудновський, 1975; Є.Є. Жуковський, 1981; Р.О. Полуектов, 1991 та ін.). Усі три рівні взаємозв'язані, хоча й мають відносну самостійність. Тому для кожного рівня необхідно розробляти різні прогнозно-оптимізаційні моделі залежно від сформульованих цілей, обраних критеріїв оптимізації та структури розрахунків з їхньої реалізації.

Розглянутий клас задач з прийняття ТТР щодо часових рівнів відповідно потребує формування прогнозів ПМР різної завчасності. При цьому кліматичні (або погодні) умови як складова загального ПМР є визначальними. Завдяки властивості інерційності грунтів і посівів стосовно зміни метеофакторів у визначених допустимих межах, а також періодичній повторюваності погодних умов, можливо розробляти ті чи інші види прогнозу, незважаючи на досить сильну мінливість останніх як у багаторічному, так і внутрішньосезонному перерізі.

За розробленою нами схемою видів і структурою прогнозів ПМР стосовно рівнів прийняття ТТР у часі (рис.2) було визначено: перші два рівні - проекту та планової експлуатації МС - потребують їх на довготерміновій основі; третій рівень - оперативний режим управління системою - на короткотерміновій основі.

Таким чином, обгрунтування оптимальних ТТР на еколого-економічних засадах потребує створення єдиного комплексу ієрархічно зв'язаних моделей параметрів ефекту, режиму, технологій та конструкцій, а тому прогнозні режимні розрахунки за відповідними моделями є обов'язковою та невід'ємною складовою в структурі загальних інженерно-меліоративних розрахунків на всіх рівнях прийняття рішень у часі щодо реалізації гідромеліоративних заходів.

Отже змістом даної роботи є розробка відповідних методів розрахунку і моделей оптимізації для стадій проекту та планової експлуатації МС, які грунтуються на єдиному довготерміновому прогнозі природно-кліматичного і водного режимів осушуваних земель та їхніх складових.

2. Принципи оптимізації проектних технічних і технологічних рішень

з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах

Як показують практика і набутий досвід, розв'язати задачі оптимізації проектних ТТР з водорегулювання осушуваних земель наявними апробованими методами важко, перш за все, через невизначеність загальних критеріїв еколого-економічної ефективності ТТР, відсутність необхідних комплексних моделей оптимізації й відповідних імітаційних субмоделей прогнозної оцінки на довготерміновій основі ВР і ПМР осушуваних земель та їхнього впливу на формування врожаю вирощуваних сільськогосподарських культур і створюваний екологічний ефект з обов'язковим урахуванням мінливості кліматичних умов у часі.

Тому на підставі і в розвиток наявних методів розв'язання на практиці оптимізаційних задач при зрошенні та осушенні: оптимізаційного (К.П. Арент, Г.І.Афанасик, Є.П. Галямин, В.Н. Кардаш, П.І. Ковальчук, М.О. Лазарчук, А.П.Ліхацевич, І.В.Минаєв, Ю.М. Никольський, В.Г. Пряжинська, Л.М. Рекс, П.Б. Свикліс, К.І.Шавва, В.Ф.Шебеко, Б.Б. Шумаков та ін.); оптимізаційного з урахуванням байєсівського (С.А.Епстейн, Є.Є. Жуковський, Є.Я. Ранькова, О.П. Федосеєв та ін.); еврістико-оптимізаційного (В.А. Платонов); імітаційної оптимізації (Л.М.Горєв, А.П. Власюк, І.П. Айдаров та ін.) – розв'язок проблеми оптимізації ТТР з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах може бути структурно представлений у вигляді знаходження раціональних (економічно доцільних та екологічно прийнятних) рішень при проектуванні та плановій експлуатації МС за комплексними моделями оптимізації через сукупність різнорідних (вартісних і фізичних) критеріїв.

Такі рішення, з одного боку, характеризують безпосередньо їхню економічну ефективність, що визначена за кількісною економіко-математичною моделлю (ЕММ), побудованої за апробованим оптимізаційним методом, а з іншого - екологічну прийнятність їхньої реалізації, визначену неявно через обгрунтовану сукупність фізичних показників (критеріїв) ВР і ПМР. Це дасть змогу з достатнім рівнем достовірності передбачити направленість процесів, які відбуваються на меліорованих територіях у часі під дією природних і меліоративних факторів.

При цьому обгрунтування ТТР на стадіях проекту та планової експлуатації МС може бути віднесене, за Є.Є Жуковським (1981), до класу задач, що передбачають необхідність застосування так званої кліматологічно оптимальної стратегії управління об'єктами щодо рівнів прийняття цих рішень у часі.

На стадії проекту нового будівництва чи реконструкції МС проектні ТТР приймаються тільки один раз і наступні корегування закладених в них стратегій управління об'єктом відповідно до зміни погодних умов вже неможливі або недоцільні. Через практичну неспроможність спрогнозувати реальний характер їхньої зміни в межах проектного терміну функціонування МС (30-50 років) така стратегія може бути реалізована наступним чином.

За комплексною моделлю оптимізації оптимальне проектне рішення в загальному вигляді може бути визначене як

(3)

Тут: - екстремальне значення за прийнятою умовою обраного критерію економічної оптимальності, що відповідає оптимальному ТТР за сукупністю можливих варіантів,; - сукупність, критеріїв (фізичних показників) екологічної ефективності відповідних варіантів ТТР; - вдповідні до прийнятих лімітуючі показники екологічної ефективності.

Варіанти проектних ТТР сукупності, складаються за різними технологіями водорегулювання осушуваних земель й відповідними конструктивними рішеннями щодо ГМС та їхніх технічних елементів.

Тоді за Є.Є.Жуковським (1981), дотримуючись байєсівського підходу, середні (в статистичному розумінні) значення критеріїв економічної та екологічної оптимізації для кожного проектного рішення з урахуванням кліматологічної стратегії управління об'єктом у багаторічному перерізі визначаться як:

; (4)

;, (5)

де - відомі (визначені або задані) значення повторюваності чи часток можливих типових схем реалізації метеорологічних режимів у розрахункові щодо умов тепло- й вологозабезпеченості періоди вегетації визначеної сукупності, у межах проектного терміну функціонування системи, приведеного до одиниці, тобто.

У розвиток цього оптимальний рівень розрахункової забезпеченості, що визначає параметри конструктивних рішень в проекті конкретного об'єкта, може бути визначений, на відміну від прийнятої практики її нормування, також на еколого-економічних засадах, з урахуванням наявних природно-агро-меліоративних умов, за відповідною комплексною оптимізаційною моделлю

(6)

де - оптимальна типова схема природно-кліматичних умов об'єкта за відповідною розрахунковою забезпеченістю періоду вегетації із сукупності, , що визначена за екстремумом функції, побудованої для економічно оптимального проектного рішення;

- сукупність, критеріїв екологічної ефективності при.

На стадії технологічної підготовки до наступного сезону для існуючої МС необхідно обгрунтувати стратегію водорегулювання у наступному році за невизначеного характеру погодних умов. Тут кліматологічна стратегія управління об'єктом можлива через обгрунтування оптимальних технологій водорегулювання для кожної схеми типових погодних умов прийнятої сукупності, за моделлю, аналогічною до моделі (3)

(7)

У свою чергу, реалізація комплексних оптимізаційних моделей потребує визначення показників і критеріїв економічної та екологічної ефективності ТТР, що формуються безпосередньо в межах меліорованого поля. Інтегральна їхня оцінка за сукупністю полів проектної чи планової сівозміни в структурі ССВ та по технічних елементах ГМС дасть змогу характеризувати еколого-економічний ефект для МС в цілому. Звідси модель меліорованого поля відіграє дуже важливу роль у комплексі прогнозно-оптимізаційних моделей, що розробляються.

Меліороване поле на осушуваних землях - за аналогією С.В.Нерпину і А.Ф.Чудновському (1975) та поданням Л.М.Рекса (1995) МС у вигляді складної ПТС - може бути представлене схематично як складна система виду

(грунт-рослина -приземний шар повiтря)(режимно-технологічне та конструктивно-технічне забезпечення водорегулювання),

а її модель у загальному неявному вигляді - аналогічно до моделі В.А. Платонова (1982) з урахуванням моделі Л.С. Лесдона (1975) - як модель дискретної за часом динамічної системи

, . (8)

Тут є n- вектор стану процесів на меліорованому полі в момент часу t (де t - крок дискретизації моделі) при заданому початковому його значенні. Тоді як інші складові рівняння (8) є відповідні m-вектори управлінь (діянь): некерованих природних (метеорологічних факторів), керованих меліоративних (ТТР з водорегулювання) та параметрів системи, а - вектор стану розвитку системи за попередній період.

Загальна модель підлягає подальшій деталізації і може бути подана у вигляді комплексу ієрархічно зв'язаних імітаційних субмоделей, що описують умови реалізації ТТР та функціонування кожної ланки:

·

· технічно-меліоративної підсистеми меліорованого поля щодо режимно-технологічного та конструктивно-технічного забезпечення водорегулювання осушуваних земель як моделі параметрів технологій та моделі параметрів конструкцій регулюючого елемента (підсистеми) ГМС у складі МС.

Відповідно до сформульованих теоретичних положень щодо оптимізації водорегулювання осушуваних земель (див.розд.1) та розглянутих загальних принципів побудови комплексних моделей оптимізації, визначеною й обгрунтованою мінімально необхідною сукупністю ієрархічно зв'язаних імітаційних субмоделей для їхньої реалізації розроблена і пропонується узагальнена структура виконання прогнозно-імітаційних та оптимізаційних розрахунків на довготерміновій основі з обгрунтування проектних ТТР на еколого-економічних засадах (рис.3). Основними вихідними даними та змінними схематизованими умовами для реалізації таких розрахунків є сукупності: метеорологічних станцій чи постів, їхніх часток чи площ, обслуговування в межах системи; видів осушуваних грунтів, їхніх часток чи площ, розповсюдження; вирощуваних культур, їхніх часток чи площ, у структурі проектних сівозмін, величин їхніх розрахункових урожаїв,; можливих за наявних природно-господарських умов ТТР з водорегулювання осушуваних земель,; розрахункових (типових) за умовами тепло- й вологозабезпеченості періодів вегетації, та їхніх часток, в межах проектного терміну функціонування системи; питомих вартісних техніко-економічних показників (ТЕП) для визначення складових ЕММ.

3. Режимні, технологічні та технічні аспекти

водорегулювання осушуваних земель

За розглянутими теоретичними передумовами (див.розд.1,2) обгрунтування ТТР на еколого-економічних засадах визначає необхідність всебічного аналізу абсолютно різнорідних за своєю природою режимних, технологічних та технічних аспектів водорегулювання осушуваних земель у їхньому взаємозв'язку, схематизації та параметризації природно-меліоративних умов їхньої реалізації через переважаючий стохастичний характер формування.

Дослідженням різних аспектів водорегулювання осушуваних земель у різних природно-кліматичних зонах протягом досить тривалого часу плідно займались багато відомих вітчизняних і зарубіжних вчених (В.Є.Алексєєвський,

Рис.3. Узагальнена блок-схема прогнозно-оптимізаційних розрахунків

з обгрунтування проектних рішень на еколого-економічних засадах

Г.І.Афанасик, О.І.Бондар, С.Т.Вознюк, П.А.Волковський, О.І.Голованов, Ю.А.Дирсе, З.А.Забочина, Ф.Р.Зайдельман, П.І.Закржевський, О.І.Івицький, Ф.В.Ігнатьонок, М. О. Клименко, В.Т. Климков, П. І. Коваленко, М. О. Лазарчук, Б. С. Маслов, О. І. Мурашко, Ю.М.Никольський, О.Я.Олійник, В.Л.Поляков, О.В.Скрипник, І.Т.Слюсар, Х.М.Стариков, У.Х.Томберг, Р.С.Трускавецький, Турнон Дж., Д.Б.Циприс, В.Ф.Шебеко, Ц.Н.Шкинкіс, А.М.Янголь, А.В.Яцик, М.В. Яцик та ін.). Однак, на жаль, і досі немає узагальнених систематизованих даних, які б надали можливість дати порівняльну характеристику різних технологій водорегулювання в неоднакові щодо зволоженості періоди вегетації за репрезентативних умов.

Для вирішення означеного завдання були проведені теоретичні та експериментальні дослідження, включаючи машинні експерименти на ЕОМ, з використанням фондових матеріалів ряду метеостанцій (МС) базової мережі Держкомгідромету та окремих меліоративних об'єктів у зоні Полісся і Лісостепу України. Розробка необхідного комплексу імітаційних субмоделей та їхня ідентифікація розглянуті відповідно по МС Баришівка і дослідно-виробничому стаціонару "Травневий", що розташовані в зоні дії Броварської ОЗС у Київській області. Ці об'єкти є базовими для лабораторії АСУ та САПР кафедри гідромеліорацій ІВГ РДТУ з виконання багаторічних (1978-1986 рр.) наукових комплексних досліджень різних аспектів водорегулювання осушуваних земель у змінних природно-агро-меліоративних умовах. Крім того, також використані численні матеріали і публікації інших авторів, проектних та науково-дослідних установ, що працюють у зазначеній зоні, відповідна науково-технічна література тощо.

Виробнича перевірка розроблюваних моделей на незалежному матеріалі - їхня верифікація здійснювалась за даними МС Коростень і дослідно-виробничого стаціонару Інституту сільського господарства "Полісся" УААН, розташованих у Житомирській області. При опрацюванні матеріалів досліджень, розробці моделей та оцінці їхньої імітаційної здатності на ЕОМ використані традиційно вживані та спеціальні методи, що застосовуються в метеорології та гідрології.

За результатами проведених експериментальних досліджень була виконана схематизація природно-меліоративних умов на прикладі базового об'єкта. Вона включала в себе, в першу чергу, схематизацію і параметризацію природно-кліматичних умов на довготерміновій основі, що грунтується на розроблених статистичних методах і моделях прогнозування типових метеорологічних режимів розрахункових періодів вегетації (див.розд.4). При цьому, оскільки наявні дослідження по базовому об'єкту протягом 1978-1986рр. мають короткий статистичний ряд (9 років), були сформовані, замість передбачених методикою п'яти (), такі об'єднані за вологозабезпеченістю групи років сукупності: 1) вологі, (1980,1984,1985рр.); 2) середні, (1978, 1982рр.); 3) посушливі, (1979,1981,1983,1986рр.). За такою схемою поділу кліматичних умов та в цілому за багаторіччя виконане подальше статистичне опрацювання і подання матеріалів експериментальних досліджень.

Щодо меліоративно-технологічних умов, то на підставі узагальнення результатів власних багаторічних досліджень, даних інших авторів, довідкових і нормативних джерел наявні способи водорегулювання осушуваних земель за принципом їхньої дії, впливу на режим вологи грунту й РГВ, визначеними технологічними, технічними характеристиками і параметрами (нормами осушення, елементами техніки зволоження тощо) були схематизовані й представлені нами у вигляді сукупності, (): осушення, s=1; попереджувальне шлюзування, s=2; неперервне зволожувальне шлюзування тривалим підпором рівнів води, s=3; періодичне (циклічне) зволожувальне шлюзування, s=4; зрошення дощуванням на фоні осушення, s=5; зрошення дощуванням на фоні попереджувального шлюзування, s=6.

У свою чергу, технологія (або способи) водорегулювання визначає необхідні конструктивні рішення щодо характеру регулюючої та провідної мережі, гідротехнічних споруд тощо й тим самим тип і конструкцію ГМС на осушуваних землях. Відповідно до цього вони поділені нами на:

·

·

·

· комбіновані, коли при проектуванні систем проміжного типу та двобічної дії часто необхідно сполучати різні способи водорегулювання в межах однієї системи через наявність істотних відмінностей у грунтових і рельєфних умовах.

Наявні типи і конструкції ГМС на осушуваних землях, традиційні методи їхнього проектування і розрахунку досить широко представлені в спеціальній науковій, нормативно-технічній, довідковій та навчально-методичній літературі. Тому в розвиток наявних, нами розроблено у співавторстві і запропоновано нову конструкцію польдерної водооборотної системи, в якій з метою підвищення ефективності, оперативності та якості водорегулювання за рахунок застосування зволожувального шлюзування циклічної дії провідні відкриті канали виконані обвалованими на висоту 0,4…0,6м, що дає змогу збільшити напір води в регулюючій дренажній мережі до 0,8...1,0м (А.с. 1143330 СССР, МКИ A 01 G 25/00).

Для схематизованих таким чином природно-меліоративних умов, досліджених у реальному режимі часу, виконано з використанням ЕОМ статистичний аналіз й оцінку особливостей формування основних параметрів конструктивних рішень, технологій водорегулювання, метеорологічних режимів, водного режиму, водного балансу і продуктивності осушуваних земель у їхньому взаємозв'язку за репрезентативних умов.

Отримані результати покладені в основу створюваного комплексу практичних оптимізаційних та прогнозно-імітаційних моделей для обгрунтування раціональних ТТР з водорегулювання осушуваних земель з дотриманням економічних та екологічних вимог.

4. Комплекс прогнозно-імітаційних субмоделей

в оптимізаційних інженерно-меліоративних розрахунках

У практиці реалізації гідромеліорацій прогнозні режимні інженерно-меліоративні розрахунки за відповідними методами і моделями традиційно покладені в основу обгрунтування ТТР з водорегулювання (технологій регулювання ВР, відповідних конструкцій МС, проектних режимів зволоження, системних планів водорегулювання тощо). Але ці методи і моделі створювались переважно у 50-70рр. минулого століття і спроможні обгрунтовувати ТТР тільки на рівні їх необхідності та можливості реалізації, що не дає змоги ефективно використати їх у прогнозно-оптимізаційних розрахунках на еколого-економічних засадах.

За використаним системним підходом основою створюваного комплексу імітаційних субмоделей щодо прогнозу кліматичних умов місцевості, водного режиму та продуктивності осушуваних земель є модель меліорованого поля в структурі загальної моделі МС, де реалізуються у своїй єдності режимні, технологічні та технічні аспекти водорегулювання. У такому разі цілісна модель меліорованого поля є системою (комплексом) ієрархічно зв'язаних субмоделей (див.розд.2), аналогічних за структурою побудови до моделі (8):

·

, ; (9)

·

, ; (10)

·

, . (11)

При розробці проектів МС як складних ПТС модель параметрів метеорологічних режимів є першою визначальною ланкою в ланцюзі реалізації інженерних прогнозно-оптимізаційних розрахунків (див. розд.2, рис.3) та невід'ємною умовою реалізації кліматологічно оптимальної стратегії управління меліоративними об'єктами на довготерміновій основі.

Тому на підставі і в розвиток наявних методів і моделей метеорологічного забезпечення обгрунтування проектних ТТР як в нашій країні, так і за її межами (А.Г.Галушкин, М.О.Лазарчук й ін., І.М.Лившиць, В.П.Остапчик і В.А.Костромін, О.В.Скрипник, В.Ф.Шебеко, А.М.Янголь, А.В.Яцик, Г.Марков, Т.Литтл і Ф.Хіллз, Дж.Франс і Дж.Х.М.Торнлі та ін.) були розроблені та апробовані на практиці статистичні методи і моделі з їхньої прогнозної оцінки на довготерміновій основі стосовно різних рівнів інформаційного забезпечення.

За наявності багаторічних (35-50 років) ретроспективних спостережень по метеостанціях і постах, що розташовані поряд (до 50 км) з досліджуваним об'єктом, модель грунтується на дослідженні мінливості метеофакторів у часі за допомогою багатомірного статистичного аналізу з використанням ПЕОМ, схематизації метеорологічних режимів за комплексною сумісною оцінкою метеофакторів і побудованих на їхній основі комплексів, визначенні та формалізації закономірностей формування їх у багаторічному та внутрішньовегетаційному перерізі. Вона дає змогу на відміну від наявних отримати типовий розподіл основних метеофакторів (сум опадів; середніх значень температури, дефіциту та відносної вологості повітря) сукупності, для прийнятого за основу декадного перерізу в характерні (розрахункові) щодо умов тепло- й вологозабезпеченості періоди вегетації сукупності, (): дуже вологі, р=1; вологі, р=2; середні, р=3; сухі, р=4; дуже сухі, р=5. Така кількість типових схем метеорологічних режимів є достатньою для інженерної практики виконання прогнозно-оптимізаційних розрахунків на довготерміновій основі. Тут же визначаються реальні значення часток, для реалізації кліматологічно оптимальної стратегії управління об'єктом на стадії його проектування (див. розд.2).

При відсутності багаторічних спостережень така модель грунтується на сумісній реалізації біноміального закону розподілу вегетаційних норм метеофакторів у багаторічному перерізі та апроксимації, з достатньою для інженерної практики точністю, нормованого розподілу їхніх середньодекадних значень всередині розрахункових періодів вегетації періодичними кривими Фур'є 2-го порядку для 16 областей зони достатнього та нестійкого зволоження України.

Щодо моделі прогнозної оцінки параметрів ВР та технологій водорегулювання, то вони традиційно грунтуються на теоретично обгрунтованих й достатньо апробованих на практиці методах моделювання грунтової вологи за рівнянням водного балансу (ВБ) (М.Г.Андерсен, Ю.А.Дирсе, А.Р.Константинов, М.О.Лазарчук, А.П.Ліхацевич, В.П.Остапчик, О.В.Скрипник, Р.Дж. Ханкс, С.І. Харченко, В.Ф.Шебеко, А.М.Янголь, А.В. Яцик, М.В. Яцик та ін.). Але, як показав аналіз і практика, вони не можуть бути ефективно використані в прогнозно-оптимізаційних розрахунках.

Тому на підставі узагальнення результатів теоретичних і експериментальних досліджень така модель для осушуваних земель стосовно рівнів задач, що розглядаються, грунтується на використанні звичайного "простого" рівняння ВБ в інтегральній формі для розрахункового шару грунту (РШГ) h=0,5 м за прийнятих схеми, структури розрахунків і кроку дискретизації за, (пентада, тиждень, декада - відповідно до результатів попередньої реалізації моделі метеорологічних режимів). Вона описує квазістаціонарний процес і дає змогу оцінювати режимні та технологічні параметри ТТР з водорегулювання за елементами ССВ, ГМС і МС в цілому для можливих змінних