Українська академія аграрних наук

ІНСТИТУТ ГІДРОТЕХНІКИ І МЕЛІОРАЦІЇ

Волошин Микола Миколайович

УДК 631.67: 63.001.18

Оптимізація зрошувальних норм

та оперативне управління поливами

при платному водокористуванні

06. 01. 02 - Сільськогосподарські меліорації

(технічні науки)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2006

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті гідротехніки і меліорації Української академії аграрних наук.

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор

Ковальчук Павло Іванович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

головний науковий співробітник; |

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Лазарчук Микола Олексійович,

Національний університет водного господарства та природокористування,

професор кафедри меліорації; |

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Корюненко Володимир Миколайович,

Інститут гідротехніки і меліорації УААН,

заступник завідувача відділення мікрозрошення і водопостачання. |

Провідна установа: | Одеська державна академія будівництва і архітектури,

м. Одеса, вул. Дидрихсона 4. | Захист відбудеться “ 19 “ квітня 2006 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.362.01 при Інституті гідротехніки і меліорації УААН за адресою: м. Київ - 03022, вул. Васильківська, 37.

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

Автореферат розіслано “ 17 “ березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, с.н.с. Т.І. Топольнік

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Перехід до ринкових відносин потребує вдосконалення існуючих та створення на їхній основі нових технологій оптимізації водокористування, які повинні забезпечити не лише високі врожаї, а і ефективне використання земельних та водних ресурсів. Водночас потрібно виконувати природоохоронні вимоги - мінімізувати антропогенний вплив на навколишнє середовище, запобігати розвитку підтопленню та засоленню земель.

На необхідність ощадливого, економічно-ефективного зрошення, впровадження нормованого водокористування націлюють і державні програми та відомчі документи. Так, у чинній Загальнодержавній програмі розвитку водного господарства, мета якої “...є впровадження державної політики, спрямованої на запобігання антропогенного впливу на довкілля, ...запобігання шкідливій дії води і ліквідації її наслідків“, в основу прогнозних розрахунків використання води для зрошуваного землеробства покладено водозберігаючі режими зрошення.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу виконано в Інституті гідротехніки і меліорації УААН по завданнях: по темі № Т-325 “Дослідно-виробниче впровадження “Методичних рекомендацій з водозберігаючих режимів зрошення та оперативного управління поливами (для умов півдня України)” на замовлення Держводгоспу України, № держреєстрації 0101U000971 (2000 р.); по темі 01.01. “Методичні рекомендації з оцінки еколого-економічної ефективності ведення сільськогосподарського виробництва на меліоративних землях”, № держреєстрації 196U21799 (2000 р.); по темі 01.02. “Розробка моделі державного управління водогосподарсько-меліоративним комплексом в умовах ринкової економіки”, № держреєстрації 0101U004617 (2002 р.); по темі 01.03. “Розробка методології прийняття економічних рішень при взаємодії водогосподарських організацій і водоспоживачів”, № держреєстрації 0103U008660 (2003-2005 р.).

Мета досліджень полягає в розробці методів і технологічних рішень, що забезпечують вибір оптимальних зрошувальних норм та оперативне планування поливів на основі екологічно безпечних та економічно ефективних технологій зрошення в умовах платного водокористування.

Основні завдання досліджень:

* провести аналіз внутрішньогосподарського водокористування та визначити напрями його оптимізації стосовно сучасних соціально - економічних умов зрошення;

* запропонувати системну методологію, виконати системний аналіз та оптимізацію варіантів водокористування на основі функцій додаткового чистого прибутку від зрошення в умовах плати за воду у поєднанні з оперативним управлінням поливами на основі ресурсоощадливих технологій;

* розробити методи оперативного управління поливами із застосуванням водозберігаючих режимів зрошення, з використанням пристосованої до конкретних ґрунтових умов поля багатошарової моделі вологоперенесення;

* провести ідентифікацію та перевірку параметрів моделей управління поливами з пристосуванням їх для конкретних ґрунтів півдня України.

Об’єктом досліджень є економіко–технологічні процеси водокористування при зрошенні, системи прийняття рішень та підходи до оперативного планування поливів.

Предметом досліджень є методи обґрунтування параметрів водокористування стосовно оптимізації зрошувальних норм та ефективних систем оперативного планування поливів.

Методи досліджень. Для оптимізації параметрів технологій водокористування використано імітаційно-оптимізаційний метод системного аналізу; оптимізацію проводили графічними методами за критерієм додаткового чистого прибутку від зрошення; імітаційне моделювання виконується на основі розв’язування чисельними методами нелінійних нестаціонарних одномірних диференціальних рівнянь вологоперенесення в ґрунтах, ідентифікація параметрів вологоперенесення (ОГХ, коефіцієнт вологопровідності), проведена з використанням лабораторних досліджень і потенціалу ґрунтової вологи. Натурне моделювання виконано стандартними методами (тензіометричні та термостатно - вагові дослідження, метеорологічні спостереження). Обробку результатів польових та лабораторних досліджень виконували із застосуванням лінійного та нелінійного регресійного аналізу на ПЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в оцінці та на цій підставі розробці методології водокористування при зрошенні для умов півдня України, основаної на оптимізації обґрунтованих зрошувальних норм та розробці ефективних методів оперативного планування поливів, а саме:

·

·

·

·

Практичне значення одержаних розрахунків:

- розроблені моделі і алгоритми, на основі яких проводяться розрахунки на ПЕОМ, що забезпечують вибір економічно оптимальних зрошуваних норм для основних сільськогосподарських культур, здійснено ідентифікацію ефективних технологічних параметрів водного режиму ґрунтів при реалізації зрошення дощуванням;

- експериментально обґрунтовані параметри водозберігаючих режимів зрошення, що ввійшли до міжгалузевого нормативного документу “Методичні рекомендації з оперативного планування режимів зрошення”, який передано для впровадження в системі Держводгоспу України;

- результати досліджень увійшли складовою частиною в “Методику розрахунку зрошувальних норм при платному водокористуванні”, затверджену Вченою радою ІГіМ УААН;

- результати досліджень увійшли до “Схеми комплексного захисту сільськогосподарських угідь та населених пунктів Херсонської області від підтоплення ґрунтовими водами та затоплення поверхневими водами”, яку передано для впровадження в системі Держводгоспу України.

Результати наукової роботи впроваджено у навчальний процес і використовують при викладанні спецкурсу “Моделювання ґрунтових процесів в гідромеліорації” на кафедрі інформаційних технологій Херсонського державного аграрного університету.

Особистий внесок дисертанта. Усі наукові положення, винесені на захист, отримано та обґрунтовано за участю автора. Зокрема, особистий внесок автора полягає в:

- обґрунтуванні методів системного аналізу для оптимізації параметрів меліоративних технологій та їх адаптації до конкретних об’єктів;

- проведенні комплексу спостережень на дослідно-виробничих ділянках, ідентифікації параметрів системних моделей, перевірці їхньої адекватності;

- систематизації та вдосконаленні критеріїв ресурсно-екологічної оцінки, розробці алгоритмів, проведенні та аналізі комп’ютерних розрахунків.

Результати дисертаційної роботи пройшли апробацію на міжнародній науково-практичній конференції “Ризикологія в економіці та підприємництві” (Київ, 2001 р.); науковому семінарі кафедри екології та економіки природокористування ХДАУ (Херсон, 2002 р.); міжнародній науковій конференції молодих вчених “Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та їх вирішення” ІЗПР (Херсон, сел. Наддніпрянське, 2002 р.); на науковій конференції присвяченій „80- річчю Українського державного університету водного господарства та природокористування”, УДУВГП (Рівне, 2002 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Еколого-економічні проблеми водогосподарського та будівельного комплексу півдня України” (Херсон, 2003 р.); міжнародній науково-практичній конференції “Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні: стан та перспективи” (Херсон, 2003 р.); другої міжнародної науково-практичної конференції “Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні” (Херсон, 2004р.); на науково-методичній конференції “Нормування водокористування у зрошуваному землеробстві”, ХДАУ (Херсон, 15 - 17 вересня 2005 р.).

Публікації. За матеріалами досліджень, представленими в дисертації, опубліковано 11 робіт, у тому числі: в одній брошурі, у фахових виданнях - 6, у тезах і матеріалах наукових конференцій - 4.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та семи додатків. Робота написана на 226 сторінках загального тексту, містить 128 сторінок основного тексту, 25 таблиць. Ілюстрована 36 рисунком. В додатках наведено тексти двох програм для ЕОМ, документи трьох актів про впровадження результатів. Літературні посилання нараховують 186 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито суть наукової проблеми, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання досліджень, показано зв’язок роботи з науковими програмами і темами, зазначено новизну одержаних результатів, їхнє практичне значення.

У першому розділі “Необхідність оптимізації водокористування та шляхи її вирішення в сучасних умовах” на основі літературних джерел проаналізовано функціонування в Україні зрошуваного землеробства, визначені основні еколого-економічні проблеми його розвитку та шляхи їх розв’язання.

Як відомо, технології управління водокористуванням ґрунтуються на внутрішньогосподарських і системних планах водокористування, яким присвячено дослідження О.М. Костякова, С.А. Алпатьєва, Н.О. Орлової, Н.Ф. Натальчука, М.О. Лазарчука та ін. Управління водорозподілом були предметом досліджень П.І. Коваленка, К.І. Шавви, Б.Ф. Євдокимова, В.М. Попова, Ю.О. Михайлова, К.Б. Сапарова, В.М. Кир’янова, та ін. Вдосконаленням режимів зрошення сільськогосподарських культур займалися П.І. Коваленко, В.П. Остапчик, М.І. Ромащенко, В.А. Писаренко, П.І. Ковальчук, Т.А. Михальська, О.І. Жовтоног, Л.А. Філіпенко, В.М. Корюненко та ін. Техніко – економічним нормуванням водопотреби присвячені дослідження П.І. Ковальчука, Л.М. Рекса, А.В. Штаковського, Б.Б. Шумакова та ін. Математичним моделюванням ґрунтових процесів займались вчені А.П. Фільчаков, О.Я. Олійник, Л.Н. Горев, та теоретичним дослідженням моделей вологопереносу в ґрунтах - А.І. Голованов, С.Ф. Аверьянов, Я.А. Пачепський, І.Є. Жернов, М.М. Муромцев, А.Б. Ситніков, М.І. Огнянік, М.І. Ромащенко, В.П. Ковальчук, С.С. Коломієць та ін.

Проте в сучасних соціально–економічних умовах актуальними є екологічні та економічні підходи до водокористування, зокрема поліпшення водокористування в умовах плати за воду.

Виникла необхідність вирішення наукових і практичних задач, розробки підсистеми "ресурсно-економічної оцінки варіантів водокористування", де оптимізується функція додаткового чистого прибутку від зрошення. Розробки нового технологічного рішення - високоточної технології ресурсоощадливого управління поливами на основі багатошарової моделі вологоперенесення, з мінімізацією втрат води на інфільтрацію, пристосування параметрів до умов конкретного поля (що особливо важливо для фермерських господарств). Використанні нового технологічного рішення - водозберігаючих режимів зрошення сільськогосподарських культур на різні рівні ресурсозбереження. Оптимальне водокористування на внутрішньогосподарській мережі в сучасних умовах зрошення повинно проводитись за схемою (рис. 1):

Рис. 1. Основні напрями досліджень оптимізації водокористування на внутрішньогосподарській мережі в сучасних умовах зрошення

У другому розділі “Методологія оптимізації зрошувальних норм та обґрунтування параметрів режимів зрошення” виділено особливості методології прийняття оптимальних рішень при плануванні зрошення, які ґрунтуються на імітаційно-оптимізаційному моделюванні і дають змогу оцінювати ефективність вибору зрошувальних норм та технологій оперативного планування поливів.

В умовах переведення меліоративно-водогосподарського комплексу на платне водокористування консолідований взаємовигідний розподіл прибутку від зрошення ґрунтується на економічній оцінці варіантів за критерієм додаткового чистого прибутку від зрошення, який обчислюють за формулою:

, (1)

де F() - додатковий чистий прибуток від зрошення, грн/га; С - ціна реалізації, грн/ц; С1, С2 - собівартість відповідно на зрошенні і на богарі (без витрат на подачу води), грн/ц; Yп - відповідні заплановані врожаї, ц/га; - функції зниження урожайності від одиниці при недополиві на зрошенні та на богарі, в частках одиниці; U,Uкр - значення відповідно поточних та критичних (лімітних) зрошувальних норм, м3/га; - опади конкретного року, м3/га; W - значення біологічно оптимальних зрошувальних норм, м3/га; - тариф за 1 м3 води, грн/м3.

Таким чином, додатковий чистий прибуток від зрошення залежить від конкретних умов року () та вибору фактичних зрошувальних норм (). Враховуючи зазначене, на основі імітаційного моделювання можна побудувати стохастичну матрицю гри з природою типу (2) для критерію додаткового чистого прибутку:

U1 … Um

. |

(2)

Для умов прогнозованого року на основі імітаційного моделювання запропоновано розраховувати функції додаткового чистого прибутку від зрошення відповідних сільськогосподарських культур. Графічний метод дає змогу визначити оптимальні значення зрошувальних норм, що відповідають максимальному значенню додаткового чистого прибутку від зрошення (рис. 2). Аналіз критерію додаткового чистого прибутку від величини зрошувальної норми показує, що за низьких тарифів на воду економічно вигідним є біологічно оптимальне зрошення; при збільшенні тарифу на воду оптимальне значення зрошувальної норми зменшується, тобто оптимальними стають водозберігаючі режими зрошення.

Базовою задачею планування режимів зрошення на основі двошарової моделі є розрахунок та прогнозування динаміки вологості ґрунту у розрахунковому (або активному шарі ґрунту, де зосереджена основна маса кореневої системи). Для цих цілей використовується одна з найбільш розповсюджених та перевірених на практиці водно-балансова модель за дефіцитом вологозапасів:

Dk=Dn+(А*К*Е – Р) – m , (3)

де Dk, Dn - кінцевий та початковий дефіцит розрахункового періоду, мм; Е - сумарне випаровування за оптимальних умов зволоження, мм; Р, m - кількість опадів та поливна норма, мм; A - редукційний коефіцієнт, який показує зниження сумарного випаровування при зниженні вологості ґрунту нижче критичних значень W<Wкр; К - редукційний коефіцієнт, який показує зниження сумарного випаровування за величини розрахункового шару ґрунту h<1 м і величини кореневого шару hк>h.

Рис. 2. Функції додаткового чистого прибутку від зрошення залежно від зрошувальної норми та величини плати на воду: 1 - оптимальне значення зрошувальної норми, що відповідає максимальній точці значення критерія при тарифі за воду = 0,2 грн; 2 - субоптимальні значення зрошувальних норм (відрізок), що відповідають значенням критерія при тарифі за воду = 0,1 грн; 3 - субоптимальні значення зрошувальних норм (відрізок), що відповідають значенням критерія при тарифі за воду = 0 грн.

Для вдосконалення двошарової моделі, більш адекватного відображення процесів вологоперенесення, для оперативного планування поливів запропоновано багатошарову модель (рис. 3). Дослідженнями переконливо доведено, що на основі поняття термодинамічного потенціалу води в ґрунті можна отримати задовільний опис усіх найбільш важливих процесів перерозподілу і витрати ґрунтової вологи (рис. 3). Математичний опис руху вологи в насичених та ненасичених ґрунтах ґрунтується на законі Дарсі. Використовуючи те, що за певного вибору одиниць вимірювання гравітаційна складова повного потенціалу Ф дорівнює висоті z, тобто Ф=z-yp, одержимо рівняння для гомогенного середовища, відоме як рівняння руху вологи:

. (4)

де q - об’ємна вологість ґрунту, м3/м3; I(q,z,t) - об’єм вологи, який виділяється з одиниці об’єму ґрунту за одиницю часу.

а б

Рис. 3. Схема багатошарової (а - фізичної, б - математичної) моделі поглинання вологи та вологоперенесення в ґрунтах при зрошенні

Використовуючи теоретичну модель вологоперенесення в ґрунтах, граничні та початкові умови та застосовуючи iнтегро - інтерполяційний метод, одержуємо систему різницевих рівнянь динаміки вологоперенесення в ґрунтах.

Ідентифікація параметрів моделі (4) та відповідної різницевої моделі здійснюється за експериментальними дослідженнями вологоперенесення, які базуються на комплексному гідрофізичному методі (І.Є. Жернов, М.М. Муромцев, М.І. Ромащенко та інші). Він забезпечує одержання інформації, яка потрібна для вивчення водного балансу і закономірностей руху вологи, а також для прогнозування і управління водним режимом. Метод включає в себе лабораторні і натурні (польові) досліди. Так, коефіцієнт вологоперенесення обчислюється за розрахунковою формулою (С.С. Коломієць та інші):

. (5)

де - питома вага води - 9,81 Н/м3; (р+р/2 — р--р/2)/р - похідна (у скінчено різницевому вигляді) об`ємної вологості по р; (t+t/2 — t-t/2)/t - похідна (у скінчено різницевому вигляді) об`ємної вологості по t; (t — ) - кількість вологи, яка залишається у ґрунті від моменту визначення до досягнення рівноваги (розмірність долі одиниці); коефіцієнт , м2 (0,1 до 2,2).

У третьому розділі Оптимізація норм водокористування на рівні річного планування” наведено розрахунки зрошувальних норм основних сільськогосподарських культур, розглядається алгоритм прийняття оптимальних рішень при плануванні зрошення, оцінюється економічна та екологічна ефективність запропонованого підходу.

Для сільськогосподарських культур (озима пшениця, люцерна другого руку, цукрові буряки, кукурудза на зерно та кукурудза на силос) розраховано оптимальні зрошувальні норми в роки різної водозабезпеченості та за різної плати за воду. Системні оцінки додаткового чистого прибутку від зрошення залежно від зрошувальної норми, величини плати за воду, в роки різної водозабезпеченості та відповідні їм режими зрошення наведено на рис. 4.

Рис. 4. Системні оцінки додаткового чистого прибутку від зрошення (на прикладі кукурудзи на силос) залежно від зрошувальної норми, величини плати за воду, в роки різної водозабезпеченості (а - 5%; б - 25%; в - 50%; г - 75%) та відповідні їм режими зрошення (В - водозберігаючий; Б О - біологічно оптимальний)

Економічну ефективність методу ?ДЧП (табл. 1), можна визначити на підставі порівняння додаткового чистого прибутку від зрошення при веденні сільськогосподарського виробництва на основі традиційного - біологічно оптимального водокористування та пропонованого економічно ефективного водокористування в конкретних умовах плати на воду, в конкретні роки водозабезпеченості, стосовно економічних умов водоспоживача (цін реалізації, собівартостей тощо). Крім того, у варіанті економічно оптимального водокористування досягається економія водних ресурсів ?М (табл. 1). У табл. 1 наведено порівняння двох варіантів водокористування для кукурудзи на зерно. Екологічна ефективність застосування методу може бути визначена на основі порівняння об’ємів водоподачі при двох способах водокористування.

Таблиця 1

Порівняльний аналіз економічної та екологічної ефективності двох варіантів водокористування для кукурудзи на зерно

За екологічно ефективного способу водокористування норма водопотреби завжди менша або дорівнює біологічно оптимальній водопотребі. Різниця ?М показує зменшення антропогенного навантаження на ґрунти, що є екологічно доцільним (табл. 1).

Соціальна ефективність методу полягає в тому, що водокористувачі можуть ефективно взаємодіяти з водопостачальниками та вести сільськогосподарське виробництво відповідно до своїх економічних умов стосовно конкретного року водозабезпеченості.

У четвертому розділі “Обґрунтування параметрів систем оперативного планування поливів з урахуванням економічних умов та екологічних вимог” розглянуто результати лабораторних досліджень з перевірки та ідентифікації коефіцієнтів моделей.

Для перевірки коефіцієнта К проводили польові досліди у виробничих умовах у ПОК “Зоря” Білозерського району Херсонської області, на полях з люцерною другого року та помідорами.

Динаміку розрахункової та фактичної вологості ґрунту під люцерною другого року в шарі 0,7 м наведено на рис. 5.

Рис. 5. Порівняння розрахункової (1) та фактичної (2) вологості ґрунту під люцерною другого року в шарі 0,7 м

Крім перевірки розрахункових формул, на даному об’єкті оцінювали ресурсну ефективність водозберігаючих режимів зрошення.

За результатами спостережень, у графічному вигляді зроблено аналіз динаміки об’ємної вологості ґрунту, розрахованої за основною гідрофізичною характеристикою (ОГХ) по виміряному тензіометричним методом всмоктувальному тиску ґрунтової вологи (рис. 6). На рис. 6. наведено фактичну динаміку вологості ґрунту під кормовими буряками на весь вегетаційний період для трьох ґрунтових горизонтів 0…20 см, 20…40 см, 40…60 см.

а

б

в

Рис. 6. Динаміка вологи під кормовими буряками за вегетаційний період: а- фактичний всмоктувальний тиск, виміряний тензіометрами; б- вологість ґрунту, розрахована за ОГХ; в- поливи і атмосферні опади за вегетаційний період

Апроксимуючими залежностями експериментальних даних є степеневі функції (табл. 2). Достовірність апроксимації експериментальних даних визначалась за загальноприйнятою методикою із застосуванням індексу кореляції R2, який становив у всіх випадках не менше 0,98, що свідчить про адекватність отриманих залежностей.

Таблиця 2

Емпіричні залежності параметрів моделі вологоперенесення

На дослідній ділянці вирощували кормові буряки. Розрахунковий період становить 10 діб (початок липня), з потужністю кореневої системи hк=0,5 м, випаровування 8 мм/добу, полив (нормою 500 м3/га) проводили протягом 7-ї доби. Розрахунками за багатошаровою моделлю вологоперенесення визначають прогнозований розподіл вологості по вертикалі на різні періоди часу (до 15 днів) (рис. 7).

Рис. 7. Прогнозований та фактичний розподіл об’ємної вологості ґрунту за 10 днів під кормовими буряками у фермерському господарстві с. Киселівка Білозерського району Херсонської області (ПП – передполивний поріг вологості ґрунту, НВ – найменша вологоємність ґрунту)

На графіку нанесено фактичні значення вологості, розраховані за ОГХ відповідно до виміряного тензіометрами всмоктувального тиску. На рисунку лінії відображають розрахунковий та фактичний розподіл об’ємної вологості з глибиною на певний фіксований час (добу).

Середнє значення відносної похибки (прогнозованих та фактичних значень) розраховується за формулою:

(6)

Рис. 8. Графік залежності відносної похибки (прогнозованих та фактичних значень) від часу, %: 1–7 - значення відносних похибок за кожним із експериментів, %; 0 - математичне сподівання (прогнозованих та фактичних значень), %

Із рис. 8 видно, що відхилення прогнозованих та фактичних значень для семи розрахунків на 15 днів не перевищує 5%, що цілком задовольняє потребам точності розрахунків для зрошення. Але із збільшенням днів прогнозу (понад 15) відхилення прогнозованих та фактичних значень значно зростає. Це підтверджує можливість і доцільність застосування багатошарової моделі вологоперенесення для розрахунку і оперативного планування зрошення.

ВИСНОВКИ

У дисертації подано теоретичне узагальнення і новий підхід щодо розробки наукових методів оптимізації норм платного водокористування при зрошенні основних сільськогосподарських культур на основі економічно ефективних та екологічно безпечних технологій.

1. Запропоновано та обґрунтовано метод системного оцінювання та оптимізації критерію додаткового чистого прибутку від зрошення, визначення оптимальних зрошувальних норм та вибору режиму зрошення в роки різної водозабезпеченості при різній вартості поливної води.

2. Розроблено алгоритм послідовності прийняття рішень, що дає можливість водоспоживачеві на основі ресурсно-економічної оцінки варіантів платного водокористування визначати оптимальні зрошувальні норми та режими зрошення.

3. Для встановлення оптимальних значень зрошувальних норм, залежно від економічних умов конкретного водоспоживача, умов прогнозованого року і величини плати за воду використовуються імітаційно–оптимізаційні моделі функцій додаткового чистого прибутку від зрошення для основних сільськогосподарських культур (озима пшениця, люцерна, цукрові буряки, кукурудза на зерно та силос). Встановлено, що із збільшенням тарифу на воду оптимальне значення зрошувальних норм зменшується, знижується величина додаткового чистого прибутку від зрошення, виникає необхідність застосування водозберігаючих режимів зрошення.

4. Підтверджено, що за економічно оптимальних зрошувальних норм зростає додатковий чистий прибуток від зрошення на 5 - 15%. Водночас завдяки зниженню зрошувальних норм до 30% зменшується антропогенне навантаження на ґрунти і забезпечується мінімум інфільтрації води в нижчі горизонти.

5. Запропоновано використання багатошарової моделі вологоперенесення на теоретичних засадах термодинамічного підходу, що забезпечує оперативне управління вологістю ґрунту при зрошенні з високою точністю на основі адаптації параметрів моделі до конкретних умов поля.

6. Підтверджено принцип введення додаткового коефіцієнта К при переході від метрового розрахункового шару ґрунту до шару потужністю 0,5 м, що дає можливість ефективно використовувати його у балансовому методі розрахунку динаміки вологості ґрунту при застосуванні водозберігаючих режимів зрошення. У ході дослідно-виробничої перевірки на об’єктах у Херсонській області встановлено, що збіг розрахункових значень вологості ґрунту з фактичними вимірюваннями є цілком задовільним для використання коефіцієнта К на практиці (середній модуль відхилення 5 - 6 % НВ).

7. Проведений комплекс натурних спостережень та лабораторних гідрофізичних досліджень дав змогу ідентифікувати параметри багатошарових математичних моделей вологоперенесення (основної гідрофізичної характеристики, коефіцієнта вологоперенесення) для оперативного управління поливами відповідно до ґрунтових умов півдня України (темно-каштанових середньо-солонцюватих та чорноземів південних солонцюватих).

8. Результати гідрофізичних досліджень, одержані на підставі використаної методики, ілюструють високу інформаційну здатність моделі для оцінки ступеня неоднорідності ґрунтового профілю, напрямків змін та процесів взаємодії ґрунту з потоком вологи. Порівняння розрахункових і прогнозованих значень вологості ґрунту (відносна похибка не перевищує 5%) підтверджує достовірність і високу ефективність багатошарової моделі в оперативному управлінні поливами.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

1. Рекомендується розраховувати оптимальні зрошувальні норми та здійснювати вибір режиму за критерієм додаткового чистого прибутку від зрошення.

2. При оперативному плануванні поливів пропонується застосовувати двошарову модель вологоперенесення та більш точну багатошарову модель вологоперенесення із використанням водозберігаючих режимів зрошення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Брошури

1. Методичні рекомендації з оперативного планування режимів зрошення // Жовтоног О.І, Ковальчук П.І., Писаренко В.А., Філіпенко Л.А., Михальська Т.О., Семенкова Т.Ф., Поліщук В.В., Салюк А.Ф., Волошин М.М., Задорожний А.І., Пендак Н.В. – К., 2004. – 49 с.

Статті у фахових виданнях

1. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Волошин М.М., Задорожний А.І. Ефективність ведення сільськогосподарського виробництва при зрошенні в умовах платного водокористування // Меліорація і водне господарство. – 2002. – Вип. 88.- С. 46 – 52.

2. Ковальчук П.I., Волошин М.М., Ковальчук В.П. Багатошарова модель вологоперенесення для управління поливами в умовах точного землеробства // Вісник українського державного університету водного господарства та природокористування. – Рівне: УДУВГтаП. – 2002. – Вип.5(18). – С. 64 – 71.

3. Ковальчук П.І., Волошин М.М., Ковальчук В.П., Коломієць С.С. Ідентифікація параметрів математичних моделей оперативного планування поливів при зрошенні // Меліорація i водне господарство. – 2003. – Вип.89. – С.19 – 27.

4. Ковальчук П.І., Волошин М.М., Матяш Т.В. Оптимізація платного водокористування на основі аналізу додаткового чистого прибутку від зрошення // Водне господарство України. – 2003. – Вип.2. – С.27 – 29.

5. Волошин М.М. Оптимізаційна модель водокористування та її реалізація на основі багатошарової моделі оперативного планування поливів // Таврійський наук. вісн., вип. 27. – Херсон, 2003. – С.224 – 226.

6. Ковальчук П.I., Волошин М.М., Ковальчук В.П. Експериментальне обґрунтування багатошарової моделі управління поливами // Таврійський наук. вісн., вип. 31. – Херсон, 2004. С.146 – 151.

Наукові видання та тези доповідей

1. Ковальчук П.І., Михальська Т.О., Волошин М.М., Задорожний А.І. Оцінка еколого-економічної ефективності ведення сільськогосподарського виробництва при зрошенні в умовах ризику // Збір. наук. пр. за матеріалами між нар. наук.-прак. конф. 27 – 28 березня 2001 року “Ризикологія в економіці та підприємництві”. – Міністерство освіти та науки України, 2001 р. – С.180 – 181.

2. Волошин М.М., Ковальчук В.П. Принципи точного землеробства при оперативному плануванні поливів // Міжнар. наук. конфер. “Актуальні проблеми землеробства на початку нового тисячоліття та шляхи їх вирішення”, – УААН ІЗПР. – Херсон, 2002. – С.101 – 103.

3. Ковальчук П.I., Волошин М.М., Ковальчук В.П. Оптимізаційна модель водокористування та її реалізація на основі багатошарової моделі оперативного планування поливів // Наук. вісн. БГМФ - 1, – Херсон – 2003. С.41 – 43.

4. Ковальчук П.І., Пендак Н.В., Прудська А.О., Волошин М.М. Оптимізація водокористування на основі САПР в умовах проведення земельної реформи // Актуальні питання розвитку земельної реформи в Україні: стан та перспективи. – Херсон, 2003. – С.152 – 155.

АНОТАЦІЯ

Волошин М.М. Оптимізація зрошувальних норм та оперативне управління поливами при платному водокористуванні. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 06.01.02 – сільськогосподарські меліорації (технічні науки) - Інститут гідротехніки і меліорації УААН, Київ, 2006.

Розроблено метод розрахунку і оптимізації зрошувальних норм, який ґрунтується на імітаційному моделюванні варіантів та графічній оптимізації в умовах різної ціни за воду в роки різної водозабезпеченості. Проведено розрахунки додаткового чистого прибутку від зрошення для основних сільськогосподарських культур. Запропоновано метод оперативного управління поливами з застосуванням водозберігаючих режимів зрошення і використанням багатошарової моделі вологоперенесення, що ґрунтується на теоретичних засадах термодинамічного підходу. Метод розв’язує задачі управління вологістю ґрунту при зрошенні з високою точністю на основі адаптації параметрів моделі до конкретних умов поля. Перевірено та ідентифіковано редукційний коефіцієнт двошарової та параметри багатошарової моделей вологоперенесення для оперативного планування поливів. Проведено порівняння розрахункових і прогнозованих значень вологості ґрунту, які підтверджують достовірність і високу ефективність багатошарової моделі вологоперенесення за оперативного управління поливами.

Ключові слова: оптимізація, водокористування, оптимальна норма, багатошарова модель, коефіцієнт вологоперенесення, управління поливами.

АННОТАЦИЯ

Волошин Н.Н. Оптимизация оросительных норм и оперативное управление поливами при платном водопользовании. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 06.01.02 – сельскохозяйственные мелиорации (технические науки). – Институт гидротехники и мелиорации УААН, Киев, 2006.

Разработан метод расчета и оптимизации оросительных норм, который базируется на имитационном моделировании вариантов и графической оптимизации в условиях разной цены за воду в годы разной водообеспеченности.

Предложен метод оперативного управления поливами с использованием водосберегающих режимов орошения и использованием многослойной модели влагопереноса, которая базируется на теоретических принципах термодинамического подхода.

Метод решает задачи управления влажностью почвы при орошении с высокой точностью на основе адаптации параметров модели к конкретным условиям поля.

Проведены расчеты дополнительной чистой прибыли от орошения для основных сельскохозяйственных культур.

Определены закономерности формирования оптимальных значений оросительных норм в зависимости от экономических условий конкретного водопотребителя, условий прогнозного года и значения оплаты за воду для основных сельскохозяйственных культур (озимая пшеница, люцерна, сахарная свекла, кукуруза на зерно и силос).

Определено, что при увеличении платы за воду оптимальное значение оросительных норм уменьшается, снижается значение дополнительной чистой прибыли от орошения, возникает необходимость применять водосберегающие режимы орошения.

Проверено и идентифицировано коэффициент двухслойной и многослойной моделей влагопереноса для оперативного планирования поливов.

Выполнено сравнение расчетных и прогнозных значений влажности почвы, которые подтверждают достоверность и высокую эффективность многослойной модели влагопереноса при оперативном управлении поливами.

Сравнение расчетных и прогнозных значений влажности почвы (относительная ошибка не превышает 5%) подтверждает достоверность и высокую эффективность многослойной модели в оперативном управлении поливами.

Ключевые слова: оптимизация, водопользование, оптимальная норма, многослойная модель, коэффициент влагопереноса, управление поливами.

ANNOTATION

Voloshin M.M. Optimization of irrigation rates and operational planning of water supply under the condition of paid water consumption. Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree of technical science by speciality 06.01.02. – Agricultural reclamation (technical science) – Institute for Hydraulic Engineering and Land reclamation. Kyiv, 2006.

A calculation method and the optimization of irrigation rates are elaborated. These are based on simulation of variants and graphical optimization under the condition of different water prices for various years of water provision. The calculations of net profit from irrigation are carried out for different crops. A method of operational planning of water supply with use of water saving irrigation regimes as well as the use of multilayer models of moisture transfer is offered. These models are based on the theory of thermodynamic and solve management tasks related to moisture of irrigated soils with high accuracy. The model parameters have been adapted to defined field conditions. The reduction coefficient of a two layer model and the parameters of the multilayer models of moisture transfer for operational planning of water supply are tested and identified. The calculated value and prognostic value of soil moisture are compared. The results prove the reliability and high application efficiency of the multilayer models for operational planning of water supply.

Key words: optimization, water consumption, optimal rate, multilayer model, coefficient of moisture transfer, operational planning of water supply.