close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование комбинированного орошения в Нижнем Поволжье на основе математического моделирования влагопереноса и информационных технологий

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Мелихова Елена Валентиновна
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОМБИНИРОВАННОГО ОРОШЕНИЯ
В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ НА ОСНОВЕ
МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЛАГОПЕРЕНОСА
И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
06.01.02 – Мелиорация, рекультивация и охрана земель
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Саратов - 2018
Диссертационная работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Волгоградский государственный аграрный университет»
Научный консультант:
доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН,
профессор Бородычев Виктор Владимирович
Официальные оппоненты: Фалькович Александр Савельевич, доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Саратовский
национальный исследовательский государственный
университет имени Н.Г. Чернышевского», профессор
кафедры «Информатика и программирование»;
Храбров Михаил Юрьевич, доктор технических
наук,
ведущий
научный
сотрудник
отдела
«Мелиорация земель» ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова;
Новиков Андрей Евгеньевич, доктор технических
наук, ведущий научный сотрудник отдела оросительных мелиораций ФГБНУ Всероссийский НИИ
орошаемого земледелия.
Ведущая организация:
ФГБНУ «Российский научный исследовательский институт проблем мелиорации», г. Новочеркасск.
Защита диссертации состоится «___» __________ 2018 года в _____ часов на
заседании диссертационного совета Д 220.061.06 на базе федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова» по адресу:
410012, г. Саратов, ул. Советская, д. 60, ауд. 325 им. А. В. Дружкина.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ
ВО «Саратовский ГАУ» и на сайте: www.sgau.ru
Отзывы на автореферат просим высылать по адресу: 410012, г. Саратов,
Театральная пл.. д. 1, E-mail: dissovet01@sgau.ru.
Автореферат разослан «____» ______________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Дмитрий Анатольевич Маштаков
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность
темы
исследования.
В
«Стратегии
научнотехнологического развития Российской Федерации», утвержденной Указом Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642, отмечается, что «В ближайшие 10-15 лет
приоритетами научно-технологического развития РФ следует считать те направления, которые позволят получить научные и научно-технические результаты … и
обеспечат … переход к высокопродуктивному и экологически чистому агро- и
аквахозяйству». Возделывание корнеклубнеплодов на капельном орошении в
острозасушливых условиях Нижнего Поволжья обеспечивает стабильность высокопродуктивных урожаев, сохранение плодородия, предотвращает иссушение
почв агроландшафтов, создает условия для накопления азота и сохранения гумусового слоя почвы. Мелкодисперсное орошение позволяет регулировать фитоклимат растений, особенно при интенсивной солнечной радиации, высоких температурах воздуха и суховеев, а также совмещать орошение с внесением микро- и
макроэлементов, снижая антропогенную нагрузку на почвы.
В то же время, остаются недостаточно изученными вопросы оптимизации
параметров и режимов комбинированного (капельное + мелкодисперсное) орошения различных культур в зоне сухих степей Нижнего Поволжья. Поэтому разработка и оптимизация параметров комбинированного орошения корнеклубнеплодов на основе моделирования процессов влагопереноса является актуальной проблемой для эффективного использования водных ресурсов и получения стабильных высокопродуктивных урожаев.
Степень разработанности проблемы.
Теоретические и прикладные вопросы капельного орошения освещены в монографиях и статьях отечественных ученых Борового Е.П., Бородычева В.В., Бочарникова В.С., Городничева В.И., Григорова М.С., Григорова С.М., Дубенка
Н.Н., Капустина Н.Ф., Кирейчевой Л.В., Кравчука А.В., Кружилина И.П., Курбанова С.А., Лытова М.Н., Новикова А.Е., Овчинникова А.С., Ольгаренко В.И.,
Пронько Н.А., Сергиенко А.В., Снежко Э.К., Сухарева Ю.И., Туманян А.Ф., Тютюмы Н.В., Ускова И.Б., Шуравилина А.В., Щедрина В.Н., Щербакова В.А., Якушева В.В., Якушева В.П., Ясониди О.Е. и др.
Математическое моделирование процессов влагопереноса исследовалось в
работах Алексашенко А.А., Ахмедова А.Д., Вдовина Н.И., Власюка А.П., Гостищева Д.П., Голованова А.И., Денисова Е.П., Добрачева Ю.П., Рекса Л.М., Рогачева А.Ф., Фальковича А.С., Храброва М.Ю., Цветковой Т.П., Шеина Е.В., Шкуры
В.Н., Шумакова Б.Б., Мыкайылсой Ф. (Турция) и др.
Проблемам моделирования параметров контуров капельного увлажнения
почв посвящены исследования Азарьевой И.И., Ахмедова А.Д., Бородычёва В.В.,
Бочарникова В.С., Васильева С.М., Гаджиева М.К., Завадского Д.О., Обумахова
Д.Л., Овчинникова A.С., Олейника А.М., Пронько Н.А., Торбовского В.И., Фальковича А.С., Храброва М.Ю., Шкуры B.Н., Штанько А.С., Ясониди О.Е. и других
ученых.
Разработки новых перспективных ресурсосберегающих технических
средств представлены в патентах и публикациях российских исследователей Абе3
зина В.Г., Бондаренко А.Н., Васильева С.М., Майера А.В., Ольгаренко И.В.,
Пындака В.И., Салдаева А.М., Семененко С.Я., Храброва М.Ю., Щедрина В.Н. и
др.
Эффективность орошения может быть существенно увеличена использованием информационных технологий и технико-экономической оптимизации, в том
числе в управлении мелиорации, описанных в публикациях Болотина А.Г.,
Бородычева В.В., Бочарникова В.С., Гагарина А.Г., Захарченко Н.С., Иванова
П.В., Остапчика В.П., Корсака В.В., Пронько Н.А., Юрченко И.Ф и др.
В то же время, требуется разработка математических моделей новых технологий, описывающих процессы пространственного влагопереноса при комбинированном орошении.
Цель исследования – обоснование ресурсосберегающих параметров комбинированного орошения корнеклубнеплодных культур на основе математического моделирования процессов влагопереноса в условиях Нижнего Поволжья.
Задачи исследований:
- разработать математическую модель процессов влагопереноса при комбинированном орошении;
- выполнить экспериментальное исследование водно-физических свойств
почв и параметров влагопереноса на светло-каштановых почвах;
- экспериментально получить сравнительные параметры водопотребления
при капельном и комбинированном орошении для культур, возделываемых на
светло-каштановых почвах в условиях Нижнего Поволжья;
- разработать методику моделирования поля влажности на основе численного решения дифференциальных уравнений влагопереноса при комбинированном
орошении, с учетом расположения капельниц и увлажнителей;
- разработать информационную технологию управления водным режимом
сельскохозяйственных культур для различных способов орошения, типов почв и
природных условий;
- выявить тенденции развития техники и технологии комбинированного
орошения и разработать новые более совершенные технические решения.
- получить оценку энергетической эффективности комбинированного орошения на примере возделывания корнеклубнеплодов.
Научная новизна.
Обоснована структура и разработана математическая модель влагопереноса в форме дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая
водно-физические процессы при комбинированном орошении.
Определены оптимальные параметры режимов комбинированного и капельного орошения на примере картофеля и столовой свеклы в условиях Нижнего
Поволжья.
Установлены закономерности водопотребления при комбинированном
орошении с учетом фаз развития на примере корнеклубнеплодных культур, позволяющих научно обосновывать рациональное использование водных ресурсов.
Разработана информационная технология для управления водным режимом сельскохозяйственных культур при различных способах орошения с учетом
агрофизических типов почв и природных условий.
4
Разработаны перспективные направления совершенствования гидромелиоративных технологий и технических средств комбинированного орошения сельскохозяйственных культур. Новизна разработанных технических решений подтверждается патентами РФ на изобретение.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость результатов определяется тем, что разработанные методические подходы
вносят вклад в теорию математического моделирования гидромелиоративных
процессов, позволяя создавать математические модели, описывающие процессы
влагопереноса при комбинированном орошении. Результаты исследований позволяют теоретически обосновать параметры и эффективность комбинированного
орошения в условиях Нижнего Поволжья, при этом разработанные математические модели могут быть положены в основу инженерной методики проектирования режимов комбинированного орошения. Прикладное значение исследований
определяется тем, что разработанные новые технические и технологические решения позволяют практически доказать экономическую и агроэнергетическую
эффективность комбинированных способов полива, обеспечивающих ресурсосбережение и стабильность урожаев в засушливых условиях Нижнего Поволжья.
Методология и методы исследования. Методология теоретического исследования основана на построении математической модели в виде дифференциальных уравнений в частных производных и её исследования методами компьютерного моделирования.
Использованы следующие частные методы: построение математической
модели влагопереноса в форме дифференциальных уравнений (ДУ) с частными
производными, учитывающей водно-физические свойства почв, тепло- и влагообеспеченность агроценозов и биологические особенности растений; исследование полученных ДУ средствами компьютерного моделирования в плоской и пространственной постановках в среде Mathcad для различных конфигураций корневой системы растений; экспериментальные и лабораторные исследования процессов влагопереноса по фазам развития растений. Надежность полученных результатов обусловлена факторным планированием и статистической обработкой трёхлетних полевых опытов по методике Б.А. Доспехова; статистической проверкой
адекватности регрессионных моделей по критерию Фишера и значимости её коэффициентов по критерию Стьюдента; проверкой результатов математического
моделирования с использованием лабораторного стенда для физического моделирования процессов влагообмена в почвогрунте.
Положения, выносимые на защиту:
- математическая модель в форме дифференциальных уравнений в частных
производных и методика исследования влагопереноса при комбинированном
орошении, учитывающая водно-физические свойства почв;
- математическое описание водно-физических характеристик почв и геометрические показатели контуров увлажнения, позволяющие обосновать технологические параметры для рационального использования воды;
- экспериментально обоснованные технологические параметры (условие проведения МДД и поливные нормы с учетом развития корневой системы) и показатели водопотребления корнеклубнеплодов (оросительные нормы по фазам разви5
тия, коэффициент водопотребления) по вариантам опытов при проведении комбинированного орошения;
- методика численного компьютерного моделирования влагопереноса в среде
Mathcad для двумерного поля влажности для различных конструктивных параметров и геометрии расположения увлажнителей при комбинированном орошении, а также методика оптимизации параметров капельниц с учетом конфигурации контура увлажнения;
- информационная технология на основе имитационной модели развития растения в условиях орошения для управления водным режимом и структура реляционной базы данных (БД), а также компьютерная программа для расчета гидродинамических параметров струи при мелкодисперсном дождевании;
- выявлены тенденции развития комбинированного орошения (ресурсосбережение, оптимизация технологических параметров) и разработаны новые технические решения;
- модель оптимизации возделывания различных сельскохозяйственных культур на капельном и комбинированном орошении, позволяющая оптимизировать
распределение ресурсов по критерию энергетической эффективности с учетом
доли комбинированного орошения.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность результатов исследования подтверждается использованием фундаментальных подходов
и методов, включая ДУ влагопереноса, а также математического и компьютерного
моделирования; экспериментальной проверкой рекомендуемых технологий и режимов орошения корнеклубнеплодов с использованием репрезентативных выборок согласно методике полевого опыта (по Б.А. Доспехову) и стандартных методов статистической обработки (Statistica v.10), высокой степенью сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований, приемлемыми результатами апробации в производственных условиях.
Основные положения диссертационной работы доложены на научнопрактических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ
ВО Волгоградский ГАУ в 2006 – 2017 гг., научно-практическая конференция
«Вопросы рационального использования водных ресурсов в мелиоративном комплексе АПК России» (Новочеркасск, 2017), «Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологические устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства» (Рязань, 2016), международной научной конференции
«Физико-математические науки: теория и практика» (Москва, 2015), IV международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные
науки» (Москва, 2014), Научно-методической конференции "Аграрное образование: традиции, новации, качество" (Москва, 2014), Всероссийской научнопрактической конференции посвященной 75-летию ФГУП НИПИ гипромсельстрой «Актуальные проблемы проектирования объектов АПК России» (Саратов, 2007), на международных и всероссийских научно-практических конференциях в Волгоградском ГАУ (Волгоград, 2004-2015); Российском НИИ проблем
мелиорации (Новочеркасск, 2016); EURASIANGIS2018 (Азербайджан, 2018) и др.
Аналитические подходы и элементы математического моделирования разрабатывались в рамках выполнения гранта РФФИ №15-46-02566 «Математическое моде6
лирование и совершенствование института налоговых механизмов для обеспечения экологической безопасности Волгоградского региона с учетом межотраслевых экстерналий» в 2015-16 гг.
Результаты исследований внедрены в КФХ «Выборнов В.В.» Ленинского
района, КФХ «Гуренко М.В.» Дубовского района, Волгоградской области, ГНУ
ВНИИГИМ им. А.Н. Костякова (Москва), Поволжский научно-исследовательский
институт эколого-мелиоративных технологий- филиал ФГБНУ «Федеральный
научный центр агроэкологии, комплексных мелиораций и защитного лесоразведения» РАН; методические рекомендации по составлению математических моделей в учебный процесс ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, ВолгГТУ.
Публикации результатов исследований. Результаты исследований опубликованы в 53 печатных работах, в том числе 16 в изданиях, рекомендованных
перечнем ВАК Минобрнауки РФ общим объемом 6,5 п. л. из них 3,7 п. л. автора,
получено 7 патентов на изобретения и полезные модели, зарегистрированы 6 программ для ЭВМ и БД. Общий объем публикаций составляет 25,6 п. л., в том числе
автора – 17,4 п. л.
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 349 страницах
текста, состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству, 120
рисунков, 47 таблиц и 4 приложения. Библиография включает 302 наименования,
в том числе 38 на иностранных языках.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во «Введении» обоснована тема диссертации, дана характеристика основных
положений работы. Сформулирована научная концепция исследования, основанная
на необходимости математического моделирования взаимосвязанных процессов
тепло- и влагопереноса для совершенствования ресурсосберегающих технологий
комбинированного орошения.
В первой главе «Теоретические основы комбинированного орошения сельскохозяйственных культур в засушливых условиях Нижнего Поволжья» рассмотрены гидрометеорологические условия, обуславливающие потребность сельскохозяйственных культур в МДД; технические средства, технологии, параметры и
режимы капельного, мелкодисперсного и комбинированного орошения; проанализированы теоретические подходы и методы математического моделирования
процессов влагопереноса, применение информационных технологий в мелиорации, а также сформулированы цель и задачи исследования.
Проведенный анализ современного состояния математического моделирования процессов влагопереноса для совершенствования ресурсосберегающих технологий комбинированного орошения позволил получить обобщенную схему для
последующего моделирования, выявить проблему и сформулировать концепцию,
цель и задачи диссертационного исследования.
Во второй главе «Математическое моделирование водопотребления сельскохозяйственных культур при капельном и комбинированном орошении» изложены теоретические основы моделирования влагопереноса при комбинированных
способах орошения, обоснованы допущения и структуры модели, предложена
классификация конфигураций и методика расчетов контуров увлажнения при ка7
пельном и комбинированном орошении, предложен расчет режима орошения при
МДД и оптимизация параметров комбинированного орошения по конфигурации
контура увлажнения.
Математическое моделирование требует применения новых методических
подходов к описанию физических процессов влагопереноса при совершенствовании технологий локального орошения. Проблема моделирования процессов влагопереноса для применяемых способов орошения вызвана сложностью адекватного учета множества природных факторов, таких как анизотропность физических
свойств почв, неоднозначность адекватного описания процессов влагопереноса,
особенностей распространения влаги в почве и окружающей среде.
В диссертации разработана математическая модель содержания влаги в пористо-капиллярной среде при действии стационарных и нестационарных массовых сил с учетом возникающих нелинейных эффектов и программноалгоритмическое обеспечение расчетов по этой модели.
Базовое дифференциальное уравнение влагопереноса для одномерного случая является
2 

= () 2 ,
(1)


которое в трехмерном пространстве при наличии источников и влагоотбора корнями растений принимает вид
W
t

 x kx Hx   y k y
H
y
 k   I

z
H
z z
 Ik
(2)
где kx, ky, kz - коэффициенты влагопроводности вдоль осей x,y,z; H(x,y,z,t) = φ(W) 
напор; φ(W) = – капиллярный потенциал, м; p – давление, Па; γ = ρg - удельный
3

u
вес, Н/м ; ρ - плотность жидкости, кг/м3; kx(W) = k1 k(W), ky(W) = k2 k(W),
kz(W) = k3 k(W) - коэффициенты влагопроводности вдоль главных осей анизотропии; k(W) – некоторая функция влажности грунта; Iu, Ik - интенсивность источников
влагопоступления и влагоотбора корнями растения; t - время .
Функция Iu определяется геометрией увлажнителей, их положением в пространстве и режимом водоподачи.
Анализ подходов к математическому моделированию позволил сформулировать следующие основные допущения, принимаемые нами при разработке математических моделей комбинированного орошения: почва является однородной,
изотропной и первоначально не насыщенной средой; локальные зоны увлажнения
являются усеченными эллипсоидами вращения; почвенное и атмосферное давление воздуха равны между собой; скелет грунта является не деформируемым; почвенная влага принимается несжимаемой; процесс движения влаги является изотермическим; перенос влаги в почве осуществляется под действием капиллярных
и гравитационных сил; движение жидкости при неполном насыщении почвы описывается законом Дарси; модель влагопереноса учитывает источники влаги, отбор
её корнями растений и испарение с поверхности почвы и листьев. Предполагаем,
что для однородной и изотропной почвы впитывание влаги в направлении осей
Ох и Оу происходит одинаково. Процесс увлажнения почвы при КО и МДД происходит в ненасыщенной среде практически в течение всего времени полива. Образующиеся при этом области увлажнения приближенно имеют вид усеченных
8
эллипсоидов вращения, эллиптических цилиндров (или их частей), размеры которых зависят как от интенсивности подачи воды, так и от структуры, влажности
почвы и других факторов (Рис.1).
Вне области увлажнения влажность почвы равна исходной. Учитывая локальность зон увлажнения при КО для получения аналитических зависимостей академиком
Б.Б. Шумаковым было предложено профильные двумерные задачи сводить к двум одномерным: по глубине (ось 0z) и параллельно поверхности почвы (оси Оx и Оу). При этом объемы увлажнения в пространстве представляются в виде усеченных эллипсоидов вращения,
для математического описания которых необходимо знать законы движения границ контуров увлажнения (КУ) в трех направлениях:
вертикальном; в горизонтальном - на уровне
Рисунок 1 - Конфигурация области водовыпуска.
увлажнения в почвогрунте
Исследования показывают, что форма
КУ существенно зависит от расхода водовыпусков и состава почв. При больших расходах воды из водовыпуска (q > 2,5...6
л/ч) контур промачивания на тяжелых почвах вытянут в горизонтальном направлении, при малых расходах (q < 2,5 л/ч) - в вертикальном направлении по глубине
(а также для хорошо проницаемых почв). В первом случае контур увлажнения
приближенно представляет собой усеченный эллипсоид вращения
x2  y2 z 2

1
0.5B 2 a22
(3)
где а2 – расстояние от центра эллипсоида до глубины увлажнения.
Полуоси эллипсоидов меняются во времени и характеризуют перемещение
границы фронта увлажнения в вертикальном направлении: a2 = z(τ) - под водовыпускном; в горизонтальном направлении: r = r(τ) - на уровне водовыпуска.
Вертикальное сечение КУ представляет собой вытянутую вдоль оси Oz
часть эллипса. Степень вытянутости эллипса характеризует эксцентриситет,
определяемый по зависимости:

с
,
h
c  h2  r 2
(4)
где ε – эксцентриситет; h – глубина увлажнения, см; r – радиус увлажнения, см.
Связь между эксцентриситетом и отношением h/r – коэффициентом вытянутости, имеет вид:
h
1

r
1  2
(5).
Для количественной оценки вытянутости КУ введем градации по величине
эксцентриситета, классификационные признаки которых представлены в табл.1.
9
Таблица 1 – Классификация конфигураций контуров увлажнения
Классификационный признак
Близкая к окружности
Средняя вытянутость
Эксцентриситет ε
0 - 0,5
0,51 - 0,75
h/r
1-1,15
1,16-1,51
Конфигурация
Сильная вытянутость эллип0,76 - 1
>1,51
соида
Объем полуэлипсоида с учетом значения эксцентриситета, который впоследствии будет использован для получения зависимости поливной нормы
2
1
3
1− 2
 =  3 √
=
2 3 √1− 2
(6)
3(1− 2 )
При наличии зоны полного насыщения в окрестности водовыпуска необходимо учесть ее ширину, как часть общего радиуса промачивания

r1 a1
 ,
r a
0    1;
где
  V 3 ПВ  V (1   3 )( ПВ  W0 )
(7)
Тогда формула (7) с учетом (6) принимает вид
 = ( 3  + (1 −  3 )( − 0 )) =
2 3 √1− 2
3(1− 2 )
[ − 0 (1 −  3 )],
(8)
где μ - единичная элементарная поливная норма, л; W = ПВ - текущая влажность,
%; W0 = MМB (максимальная молекулярная влагоемкость),%.
Для описания изменения контура увлажнения при КО, без учета влияния
МДД, можно использовать следующие аналитические зависимости, вытекающие
из решения прямой задачи влагопереноса при начальных условиях:
W (0, )  W1  
W ( z,0)  W0 ( z);
erf (D 0.5 )  erf (0.5K xi D 0.5 )
~ W  W1
W

W0  W1 erf (0.5K zi D 0.5 )  erf (0.5K xi D 0.5
erf (D 0.5 )
~ W  W1
W

W0  W1 erf (0.5K zi D 0.5 )


erf  ( ) D 0.5
W ( z, )  W1  W0  W1 
erf (0.5K zi D 0.5 )
где  i ( ) 
K zi 
zi
2 i
zi
i
,  i ( ) 
, K xi 
xi
i
xi
2 i
(9)
(10)
(11)
- нормированные расстояния, м·мин-0,5;
- коэффициенты линеаризации по осям Ox, Oz, м·мин-
0,5
;
D = D(W) - коэффициент диффузии; W1 - полная влагоемкость.
10
При постоянной исходной влажности W0 и аппроксимации законов перемещения фронта исходной влажности, границы передвижения фронта насыщения
имеют вид:
z ( )  K zi  ;
x( )  K xi 
(12)
где K zi , K xi - эмпирические коэффициенты, определяемые опытным путем.
Эти коэффициенты могут рассчитываться как кусочно-постоянные при линеаризации на каждом i-м временном интервале Δτi. Формула (10) - частный случай формулы (9) при неподвижной границе насыщения.
Для расчета количества впитавшейся в почву влаги проинтегрируем (9) и
(10) по ξ получим
W
 2 0.5 K zi
 W ( )d  0.5K
zi
 K xi W1  W0  W1 erf (0.5K zi D 0.5  erf (0.5K xi D 0.5 )) 1 
1 0.5 K xi
 0.5K zi erf (0.5K zi D 0.5
 0.25K zi2
 erf (0.5K xi D 0.5 )  D 0.5 0.5 (exp  
D


 0.25K xi2
  exp  
D



)

(13)
Начальными условиями для впитывания в полуограниченный пласт при постоянных значениях исходной влажности и на поверхности впитывания
W(0, τ) =W1, W(z,o)=W0,
(14)
W z,0 W , 

0

z
(15)
При КО для среднесуглинистых почв можно использовать зависимость закона движения границы контура по глубине вниз в диапазоне предполивной
влажности W0 = [0,14; 0,21]
aW0 ϵ [0,46; 0,67]
K z  aW0 3 q ,
(16)
Законы перемещения границ КУ могут быть найдены как расчетным, так и
экспериментальным путем. Используя в качестве дополнительного условия расход водовыпуска, отнесенный к площади впитывания Sxy(τ) на поверхности почвы
при КО, с помощью расчетных формул (10)-(14), получим
erf
W1  W0 S xy  i  D
K zi
K xi
 erf

2 D
2 D
q i   i
erf
W  W0 S xy  i  D
K zi
 1
2 D
q i   i
Ki2 
6 DW1  W0 S xy  i 

K i 1  6.150.754 D  
q i   i


(17)
(18)
(19)
Из них определяются значения постоянных Kx; Kz; определяющие перемещения границ контура. Поскольку эти значения в явном виде не выражаются, их
можно определять численным методом с построением соответствующей расчетной схемы, или компьютерным моделированием.
11
Таким образом, зная закон перемещения границы увлажнения в горизонтальном и вертикальном направлении r=r (τ), a2=z(τ), можно построить контуры
увлажнения и рассчитать объем воды.
Для учета влияния МДД на базовые параметры КУ, нами был использован
подход Шумакова-Алексашенко, моделирующий влагоотбор корнями растений
посредством корректирующего параметра для величины нормированного расстояния
    i ,
где
 i   0i
W
,

(20)
(21)
ε0i - соответствует интервалу изменения влажности (Wi, Wi+1).
Тогда, с учетом (21), скорректированное значение ξi примет вид
i  0i  (1   0i )0.5 .
(22)
Для учета влияния МДД введем аддитивную величину
εmi= ε0i + εi,МДД,
(23)
где 0 < εi,МДД < 1 – безразмерный параметр, учитывающий влияние МДД,
-1 < ε0i< 0 - безразмерная величина, учитывающая отбор влаги корнями растений.
С учетом (23) для моделирования влияния для сочетания КО и МДД при
комбинированном орошении получаем модифицированную зависимость (24).
 =  (1 −  )0.5
(24)
Численные значения параметров ε0i, εi,МДД могут определяться экспериментально по результатам лабораторных или полевых исследований. Таким образом,
с учетом подхода Шумакова-Алексашенко получена зависимость для расчета параметров КУ при комбинированном орошении.
Поставим задачу оптимизации расхода капельниц, обеспечивающего проектный контур увлажнения для корневой системы корнеклубнеплодов, при которой конфигурация контура увлажнения будет близкой к полусфере. В качестве
критерия оптимизации нами предложено использовать минимальное значение
проинтегрированных по времени эксцентриситетов контура увлажнения, определяемое по зависимости
ку () =
1
п

п
∫0 Е()|= ,
(25)
где ку () - проинтегрированные по времени безразмерные значения эксцентриситета; TП – время полива, мин; Е()|= – функция мгновенного значения эксцентриситета по времени; q - расход капельниц, л/мин.
Зависимость ку () можно получить методом аппроксимации экспериментальных точек, например, полиномом 2-ой степени
ку () =  2 +  + ,
(26)
где a, b, c – параметры, определяемые по экспериментальным данным.
Область определения полученной зависимости ограничена технологически
12
 ≤  ≤  .
(27)
из-за невозможности выдачи поливной нормы и угрозы образования стока.
Ограничение-равенство описывает поливную норму КО, с учетом МДД
 =  ∙  + МДД .
(28)
Тогда математическая модель формулированной оптимизационной задача
примет вид
ку () =
1
п


∫0 Е()|=  → ,
(29)

  =  − МДД =  (1 − МДД) = (1 − )

{  
 ≤  ≤  ,
МДД
где  =
– нормированная поливная норма МДД.
(30)

Постановка (29) - (30) относится к задачам условной нелинейной оптимизации, которую можно решать методом множителей Лагранжа.
Для вычисления правой части уравнения (25) можно использовать метод
Ньютона-Лейбница, если подинтегральная функция Е()|= задана аналитически.
Однако, поскольку значения этой функции были получены экспериментально для
моментов времени t, то определенный интеграл (25) необходимо вычислять численно, например, методом парабол (Симпсона) или менее точным - трапеций.
Целевая функция задачи, согласно методу Лагранжа, принимает вид
(, , ) = min, [ 2 +  +  + ( − (1 − ))],
(31)
где λ – неопределенный множитель Лагранжа.
Необходимым условием экстремума функции (31) является система


= 2 +  +  = 0



= −(1 − ) = 0
(32)
{ =  − (1 − ) = 0.
Алгоритм численного решения оптимизационной задачи для экспериментально определенных агрофизических параметров почвы представлен в главе 4.
Рассмотренные подходы, математические модели и алгоритмы их численной реализации на ЭВМ позволяют моделировать процессы влагопереноса при
возделывании сельскохозяйственных культур на комбинированном орошении,
обосновывать и оптимизировать основные параметры режимов орошения.
В третьей главе «Экспериментальное исследование водопотребления при
капельном и комбинированном орошении на светло-каштановых почвах Нижнего
Поволжья» построены регрессионные модели водно-физических характеристик
светло-каштановых почв; описаны технические средства комбинированного и локального орошения; определены схемы опыта, поливные и оросительные нормы,
поливной режим и условия эксплуатации капельного и комбинированного орошения картофеля и столовой свеклы.
13
По гранулометрическому составу почвы были получены зависимости водно-физических характеристик светло-каштановой почвы опытного участка методом наименьших квадратов.
Регрессионные зависимости плотности почвенного слоя от глубины:
ρ(h) = -0,1395h2 + 0,4286h + 1,0731,
(33)
3
где ρ – плотность почвы, г/см ; h - глубина почвы, м.
Уравнение регрессии зависимости наименьшей влагоемкости от глубины
почвенного слоя:
W (h) = -0,0001x3 + 0,0138x2 - 0,3801x + 10,567.
(34)
Экспериментальные зависимости глубины и диаметра контура увлажнения
от времени для различных расходов капельниц аппроксимировались степенными
функциями вида
y = A·tλ.
(35)
Полученные параметры степенной зависимости, а также отклонения параметра λ от его значения λ =0,5, рекомендуемого согласно методике Б.Б. Шумакова, приведены в табл. 2.
Таблица 2 - Параметры контура увлажнения для среднесуглинистых светлокаштановых почв
Расход
капельниц, л/ч
А
0,7
1,1
1,6
2,5
1,8261
2,0626
2,9017
3,0577
0,7
1,1
1,6
2,5
2,0368
2,2207
2,7851
3,2045
Параметры
Λ
|λ-0.5|
Глубина, см
0,5092
0,0092
0,5202
0,0202
0,4486
0,0514
0,4637
0,0363
Диаметр, см
0,4734
0,0266
0,5174
0,0174
0,5242
0,0242
0,5626
0,0626
ε = |λ-0.5|/λ,%
1,81
3,88
11,46
7,83
5,62
3,36
4,62
11,13
Расчеты показывают, что отличие экспериментальных значений λ от теоретической величины составляет 2…11%, что можно объяснить различной природой воздействия на молекулы воды по осям.
Также были исследованы зависимости параметров λ и A в (37) от расхода
капельниц. Коэффициент корреляции между величинами А и q равен rqA = -0,99, а
между λ и q составил rqλ =0,97, что показывает сильную линейную взаимосвязь.
Регрессионные уравнения, полученные для коэффициентов степенной
функции (36), описывающие диаметр КУ от времени и от расхода капельниц для
светло-каштановых среднесуглинистых почв имеют вид:
А=b0A + b1A·q;
(36)
λ=b0λ +b1λ·q;
(37)
b0A= 1,775;
b1A= 0,477;
b0λ= 0,452;
b1λ= 0,042.
(38)
Зависимость показателя λ и коэффициента A от расхода капельниц для
светло-каштановых почв по горизонтальному направлению, полученные по ре14
зультатам статистической обработки, показали, что коэффициент корреляции
между величинами q и А для глубины увлажнения равен rqA = 0,94, что соответствует сильной линейной связи. Зависимость показателей q и λ для данных показателей исследования составил rqλ = 0,98 и также показывает сильную линейную
зависимость. Для светло-каштановых среднесуглинистых почв нами были получены параметры линейных уравнений (36), (37) описывающих зависимости коэффициентов степенной функции от расхода капельниц:
(39)
b0A= 1,775;
b1A= 0,477;
b0λ= 0,452;
b1λ= 0,042.
Динамика изменения диаметра поверхностного пятна промачивания от времени, аппроксимированная степенными функциями для расходов капельниц
0,7…2,5 л/ч, представлена на рис.2. Высокие значения критерия R2 подтверждают
возможность такой аппроксимации для последующего анализа.
Рисунок 2 – Зависимость диаметра поверхностного промачивания от времени
Для математического описания эволюции конфигурации КУ нами предложено использование величины эксцентриситета ε, рассчитываемого по формуле
(4). Результаты расчета изменения эксцентриситета во времени для среднесуглинистых светло-каштановых почв представлены на рис. 3. Можно отметить, что
конфигурация КУ для капельниц с расходом 0,7; 1,1; 1,8 л/ч в процессе полива
проходит через все три зоны, а с расходом 2,5 л/ч на протяжении всего полива
остается в зоне сильной вытянутости эллипсоида (0.88 ≤ ε ≤ 0.92).
Анализ процесса увлажнения по критерию ε показал, что характер изменения КУ по времени может подразделяться на две группы. Первая группа (q = 2,5
л/ч) – монотонно возрастает в начальный момент времени 0…20 мин и монотонно
убывает в оставшееся время, приближаясь к значению 0,9. Для второй группа (q =
15
0,7; 1,1; 1,6 л/ч) значения ε на промежутке 0…60 мин резко возрастает и затем
плавно асимптотически приближается к значению 0,9.
Аналогичные исследования изменения конфигурации контура увлажнения
во времени проведены для светло-каштановых почв Нижнего Поволжья.
Вычисления значений эксцентриситета по экспериментальным данным показали, что при q=0,8 л/ч величина ε монотонно возрастает и принимает максимальное значение 0,92 (Рис.3). При увеличении расхода капельниц до 1,3 л/ч эксцентриситет в разные промежутки времени возрастает и убывает, при этом максимальное значение равно 0,87, минимальное 0,62. При q = 1,6 л/ч минимальное
значение эксцентриситета равно 0,36, а при q = 2,6 л/ч близко к нулю.
Для обеспечения оптимальной конфигурации эллиптического контура
увлажнения по минимальному значению эксцентриситета для посадки корнеклубнеплодов (картофеля) на капельном орошении по схеме 0,50 х 0,50 м сдвоенными рядками и расстоянии 0,90 м между рядами, глубиной промачивания 0,4 м
следует применять капельницы с расходом более 2,5 л/ч. Данный расход капельниц обеспечивает контур увлажнения с радиусом 0,35 м и глубиной увлажнения
0,4 м. Опыты были проведены с капельными линиями, имеющими 4 уровня расхода (производительности) капельниц: 0,7, 1,1, 1,8 и 2,5 л/час.
0,95
Эксцентриситет
0,85
0,75
0,65
0,55
q=0.7 л/ч
q=1,1 л/ч
0,45
q=1,8 л/ч
q=2,5 л/ч
0,35
0,25
0
100
200
300
400
500
600
700
Время, мин
Рисунок 3 – Динамика изменения эксцентриситета области увлажнения
среднесуглинистых почв
Исследованиями установлено, что профиль увлажнения почвы с заданными
геометрическими параметрами (d = 0,7 м; h = 0,4 м), на светло-каштановых среднесуглинистых почвах обеспечивается при расходе капельниц 2,5 л/час. Статистический анализ экспериментального материала подтвердил стабильность формируемого профиля увлажнения почвы, коэффициент вариации геометрических
параметров не превышал 5,5 %.
Полевые опыты для исследования рекомендуемых режимов орошения картофеля закладывались на землях КФХ «Выборнов В.В.» п. Коммунар Ленинского
16
района Волгоградской области. Посадка картофеля сорта Романо проводилась на
площади 1 га. Опыты планировались по двухфакторной схеме, предусматривающей следующие уровни варьирования факторов.
Фактор А - способ орошении: А1 – капельное орошение (КО); А2 – комбинированное (КО+МДД).
Фактор В – режим орошения по фазам развития: В1 – 70-80-70%; В2 – 8090-70 % НВ, В3 – 70-90-80% НВ.
Посадка проводилась ежегодно 30 апреля в два рядка по схеме 50х50 см в
шахматном порядке. Между рядками укладывалась капельная лента, расстояние
между капельницами 0,3 м, расстояние между лентами -140 см, между рядками –
90 см. Фон питания поддерживался N100Р150К180.на всех вариантах. При расчете
доз минеральных удобрений учитывали рекомендации ученых, исследовавших
режим питания картофеля. Управление фитоклиматом посадок картофеля с использованием МДД проводилось с интервалом в 40…60 мин в фазах бутонизации
и формирования корнеплода при превышении температуры окружающего воздуха
свыше 23С.
Исследования по режиму орошения столовой свеклы проводились на орошаемых землях, находящихся на территории КФХ «САДКО» Дубовского района
Волгоградской области. Посадки столовой свеклы сорта Кастрел осуществлялись
на площади 1 га при капельном и комбинированном орошении.
Рисунок 4 –Посевы столовой свеклы на комбинированном орошении
Опыты по исследованию режимов орошения столовой свеклы проводились
по двухфакторной схеме со следующими уровнями варьирования факторов. Фактор А - способ орошения: А1 – капельное орошение (КО); А2 – комбинированное
(КО+МДД). Фактор В – режим орошения по фазам развития: В1 –80%; В2 – 80-70
% НВ, В3 – 90-80% НВ. Посев столовой свеклы гибрида Кастрел F1 проводился в
третьей декаде апреля. Посев четырехстрочный, расстояние между лентами 0,6 м,
между семенами - 5…6 см и 25 см между строками. Капельные ленты укладывались между строками после проведения культивации. На одну капельницу приходилось 6-8 корнеплодов.
Расчет поливных норм проводился с учетом эллипсоидной формы контура
17
увлажнения по формуле
m  96,36H 2  об   НВ   Ф  ,
(40),
значения которых для различной глубины промачивания представлены в табл. 3.
Таблица 3 – Значения поливных норм для разных предполивных порогов
βнв,
%
24
24
β0,8,
%
19,2
19,2
β0,7,
%
16,8
16,8
β0,9,
%
21,6
21,6
γ, т/м3
h,
м
0,2
0,4
1,29
1,29
m80,
м3/га
30
150
m70,
м3/га
210
m90,
м3/га
15
-
В 2010 году на вариантах А1 и А2 больше всего поливов пришлось при варианте В3, соответственно 31 и 78 (табл.4).
При этом значения оросительных норм на вариантах А1 и А2 отличались
на 10…200 м3/га, между вариантами В 100…300 м3/га (табл.5).
Таблица 4 - Количество поливов по фазам развития столовой свеклы для различных видов орошения и режимов полива
Фазы развития культуры
Всходы
1-го листа
2-го листа
3-го листа
Утолщение корня
Техническая спелость
Итого
А1
В1
2
3
2
4
8
7
26
В2
3
2
2
2
5
5
19
В3
4
4
2
5
8
8
31
А2
В1
2
3
2
4
33
30
74
В2
3
2
2
2
32
30
71
В3
4
4
2
5
33
30
78
Значение поливных норм при МДД в среднем составляло 10 м3/га. Поливная система МДД была не зависима от системы капельного орошения, поэтому в
таблице 5 приводятся суммарные величины поливной нормы. Количество дней,
когда температура воздуха превышала предельно допустимую, в среднем составляло 60…65, что соответствует половине вегетационного периода столовой свеклы.
Таблица 5 - Расход оросительной воды по поливным нормам
Поливные
нормы, м3/га
10
15
30
150
160
210
220
ИТОГО
В1
0
0
330
2400
0
0
0
2730
А1
В2
0
0
210
0
0
2520
0
2730
В3
0
225
0
2400
0
0
0
2625
В1
510
0
330
150
1760
0
0
2750
А2
В2
530
0
210
0
0
420
1980
3140
В3
510
225
0
300
1600
0
0
2635
Сроки проведения оросительных норм сдвигались в среднем на 1…2 суток.
Значение оросительных норм не превышало 3140 м3/га и не было ниже
1650 м3/га. Расход оросительной воды на единицу продукции по коэффициенту
18
водопотребления составил при комбинированном орошении 32,67…36,52 т/га, по
сравнению с 34,73…36,58 т/га при капельном (табл.7).
Общий расход воды при комбинированном орошении составлял 2372 –
2643 м /га в сравнении с 2230 - 2355 м3/га при капельном.
3
Однако, поскольку урожайность 66,9…80,9 т/га, обеспечиваемая комбинированным орошением, превосходила 62,6…67,8 т/га, получаемую при капельном
орошении, то сравнение исследуемых видов орошения по уменьшению показателей удельного водопотребления, составивших 0,18…6,68%, показало, что комбинированное орошение (КБО) имеет преимущество.
Таблица 6 - Урожайность столовой свеклы в двухфакторном опыте, т / га
Фактор А
А1
А2
НСР05=1,65
Фактор В
2010
80-80
80-70
90-80
80-80
80-70
90-80
2011
59,5
58,6
63,4
62
73,1
64,4
2012
65,1
68,5
72,5
72,4
86,9
73,5
НСР0,5=2,02
63,3
63,9
67,6
66,3
82,7
68,6
Среднее за годы
62,6
63,7
67,8
66,9
80,9
68,8
НСР05=2,85
При комбинированном орошении прибавка урожайности составляла 1,47;
6,87 и 27,00% в зависимости от уровней фактора В. Анализ структуры водного
баланса столовой свеклы для условий 2010 г показал, что доля атмосферных осадков составила 28%, КО - 51 %, а МДД – 15%.
Таблица 7 - Коэффициент водопотребления столовой свеклы по вариантам
в среднем за годы исследования, м3/т
Варианты опытов
3
Оросительная норма, м /га
Урожайность, т/га
Коэффициент водопотребления,м3/т
В1
2290
62,6
А1
В2
2230
63,7
В3
2355
67,8
В1
2443
66,9
А2
В2
2643
80,9
В3
2372
68,8
36,58
35,01
34,73
36,52
32,67
34,48
На рис.5 показана схема посадки картофеля, которая вместе с расход капельниц 2,5 л/ч обеспечивала смыкание контуров увлажнения между клубнями.
Поливной режим картофеля зависел от фенологической фазы развития. Были
изучены три режима орошения.
В1: 70%НВ в фазы «Посадка-всходы», «Начало бутонизации – Бутонизация»,
«Полное цветение»; 80%НВ в фазу «Цветение» – «Окончание роста ботвы»;
70%НВ в фазу «Окончание роста ботвы»–«Техническая спелость клубней».
В2: 80%НВ в фазы «Посадка-всходы», «Начало бутонизации – Бутонизация»,
«Полное цветение»; 90%НВ в фазу «Цветение» – «Окончание роста ботвы»;
19
70%НВ в фазу «Окончание роста ботвы»–«Техническая спелость клубней».
В3: 70%НВ в фазы «Посадка-всходы», «Начало бутонизации – Бутонизация»,
«Полное цветение»; 90%НВ в фазу «Цветение – окончание роста ботвы»; 80%НВ
в фазу «Цветение» – «Окончание роста ботвы»; 70%НВ в фазу «Окончание роста
ботвы»–«Техническая спелость клубней».
Суммарные расходы оросительной воды для одного года, сведенные по поливным нормам для всех вариантов опытов,
представлены в табл.8. Значение оросительных норм по вариантам опытов изменялось не значительно и составляло около
2100…2406 м3/га. Разность значений между
оросительными нормами на варианте А1 и
А2 составляла в пределах 60…200 м3/га.
Закономерности формирования водного баланса экспериментально исследовались в активном слое почве. Полное уравРисунок 5 – Схема посадки картофеля
нение водного баланса было получено при
фиксированных значениях отдельных показателей, вклад которых незначителен.
В частности, поверхностный сток оросительной воды при анализе баланса
воды при КО не учитывался.
Таблица 8 - Расход оросительной воды по поливным нормам по вариантам
Поливные
нормы, м3/га
6
50
50+6
100
100+6
150
150+6
ИТОГО
В1
0
0
0
1000
0
1200
0
2200
А1
В2
0
850
0
500
0
750
0
2100
В3
0
850
0
900
0
450
0
2200
В1
252
0
0
500
424
450
780
2406
А2
В2
246
450
280
300
212
150
624
2262
В3
228
450
280
100
742
150
312
2262
Влиянием потока внутрипочвенных вод с учетом гидрологических условий
и отсутствия уклона можно пренебречь. При составлении водного баланса почвы
не учитывались инфильтрационные потери и расход грунтовых вод в корнеобитаемом слое почвы, вследствие их залегания вне области влияния на зону исследования.
Структура водного баланса за 2015 г. в среднем по вариантам опытов представлена на рис. 6. Основные учитываемые приходные статьи водного баланса составили: запасы продуктивной почвенной влаги, атмосферные осадки и объем
20
оросительной воды. Главным источником расхода воды являлось суммарное водопотребление картофеля.
Анализ данных табл. 9 показал преимущество режима орошения 80-9070%НВ (уровень В2) фактора В для обоих уровней (А1 и А2) фактора А.
Расход оросительной воды на
единицу продукции по коэффициенту водопотребления составил при
комбинированном
орошении
43,96…48,39 т/га, в сравнении с более
высокими
значениями
44,96…49,44 т/га, полученными при
Рисунок 6 - Структура водного баланса КО (таб.10).
картофеля
Таблица 9 - Урожайность картофеля в двухфакторном опыте, т / га
Вариант А
Вариант В
А1
А2
НСР05=1,21
70-80-70
80-90-70
70-90-80
70-80-70
80-90-70
70-90-80
НСР05=1,48
2013
2014
31,3
34,7
30,7
35,1
39,6
34,7
2015
36,8
40,9
38,8
42,3
46,2
43,1
34,1
37,8
34,8
39,6
44,3
43,1
Среднее
за годы
34,1
37,8
34,8
39,0
43,4
40,3
НСР05=2,10
Общий расход воды при КБО картофеля составлял 1839,3 – 1906 м3/га, что
превосходит 1666,7 – 1700 м3/га по вариантам опытов при КО. Урожайность
39,0…43,4 т/га, обеспечиваемая комбинированным орошением, превосходила
34,1…37,8 т/га, достигаемую при КО.
Таблица 10 – Водопотребление и урожайность по вариантам опыта
в среднем за годы исследования
Варианты опытов
Оросительная норма, м3/га
Урожайность, т/га
Коэффициент использования оросительной воды, м3/т
В1
1683,3
34,1
А1
В2
1700
37,8
В3
1666,7
34,8
49,44
44,96
47,96
21
В1
1887,3
39,0
А2
В2
1906
43,4
В3
1839,3
40,3
48,39
43,96
45,65
Сравнение показателей удельного водопотребления для исследуемых способов орошения (Фактор А), показало уменьшение этого показателя, составляющее 2,12…4,82%, подтверждающее преимущество КБО. При комбинированном
орошении прибавка урожайности клубнеплодов составляла 14,55…15,95% в зависимости от уровня фактора В.
Таким образом, по величине коэффициента использования оросительной
воды установлено преимущество комбинированного орошения по сравнению с
КО. Оптимизация параметров орошения для обеспечения устойчивых урожаев
требует применения математического моделирования. Построение математических моделей таких процессов позволяет проводить их численные исследования
методами компьютерной математики.
В четвертой главе «Компьютерное моделирование и исследование процессов водопотребления корнеклубнеплодов» представлено численное решение
дифференциальных уравнений влагопереноса в программе MathCAD, применение
средств компьютерной математики для численного решения дифференциальных
уравнений в частных производных, моделирование и обоснование параметров
режима орошения для различных типов полива, обоснованы поливные нормы с
учетом эллиптической конфигурации области увлажнения, а также оптимизация
параметров капельницы в зависимости от конфигурации контура увлажнения.
Дифференциальные уравнения в частных производных предполагают
нахождение функции не одной, а нескольких переменных. Системы компьютерного моделирования (Mathcad, Matlab и др.) включают инструментарий решения
таких уравнений. В зависимости от особенностей моделируемого процесса, для
решения каждого вида ДУ в частных производных требуется свой метод решения. Дифференциальные уравнения влагопереноса можно отнести к уравнениям
Пуассона. Данные уравнения можно решать с использованием средств компьютерной математики. Например, пакет Partial Differential Equations Toolbox системы Matlab содержит ряд встроенных функций для решения систем ДУ в частных
производных с использованием метода конечных разностей.
Уравнение (41) позволяет моделировать динамику изменения поля влажности с учетом поступления влаги и её отбора корнями растений. Для случая стационарного поля распределения влажности, последнее может быть сведено к уравнению Пуассона.
2 (,)
 2
+
2 (,)
 2
= −(, )
(41)
Сущность метода конечных разностей заключается в том, что область моделирования разбивается узлами расчетной сетки на квадраты, в которых реализуется конечно-разностный метод решения ДУ (41) согласно зависимости:
+1, + −1, + ,+1 + ,−1 + , = ,
(42)
При этом численное решение уравнения (42) ищется на квадратной области, состоящей из ( + 1) × ( + 1) точек. Граничные условия должны быть
предварительно определены пользователем для всех четырех сторон квадрата.
С помощью встроенных функций в систему Mathcad - multigrid и relax
можно численно решить некоторые частные случаи уравнения Пуассона. Если
22
граничные условия по сторонам квадрата ненулевые, используется функция relax
(A, B, C, D, E, f, u, rjac), аргументами которой являются квадратные матрицы
одинакового размера A, B, C, D, E.
Моделировалось распределение влажности при двухрядном расположении
оросительных капельниц для полива овощных культур, например, столовой свеклы. На рисунке 7 представлена расчетная схема расположения капельниц и источника МДД. Пространственный характер области МДД моделируется двумя
элементами: точечным источником с расходом SM и факелом высотой h1 и шириной 2b1, интенсивностью SM1.
Матрицы А…Е содержат коэффициенты аппроксимирующего уравнения
(42), а f - квадратная матрица, содержит значения правой части уравнения (41) в
каждой точке области решения. Квадратная матрица и содержит задаваемые значения решения на границах квадратной области и начальное приближение для
решения внутри неё.
Спектральный радиус
rjac итераций Якоби, принимающий значение между 0 и
1, управляет сходимостью
процесса
релаксации.
В
научной литературе рекомендуют использовать для
его определения формулу
2
 = 1 − ,
(43)

где n – количество узлов апРисунок 7 - Расчетная схема численного
проксимирующей сетки.
моделирования поля влажности
Численными экспериментами были получены следующие значения элементов матриц, моделирующие почву (Табл.11).
Таблица 11 – Параметры численного моделирования поля влажности
SSij
Aij
Bij
Cij
Dij
Eij
Tij
Среда
-0.5
0.4
0.4
0.7
0.4
-2.1
0.1
Почва
-0.1
0.1
0.1
0.2
0.1
-0,7
0.1
Атмосфера
Для решения дифференциального уравнения Пуассона с помощью встроенной функции Mathcad relax() была составлена программа, в которой задается количество узлов интегрирования n, параметр интенсивности β, расход оросительной капельницы S0, координаты узлов расположения капельниц (i,j), матрица
начальных приближений влажности Т, а также матрицы A,B,C,D и E, характеризующие параметры процесса влагопереноса.
Расположенные на поверхности поля капельницы моделируются интенсивностью подачи воды Sk и геометрическими параметрами шириной расположения
2b и единичной между узлами сетки шириной растекания в поперечном направлении. Факел МДД моделируется размещенным на высоте h симметрично капельницам точечным источником интенсивностью SM и расположенной ниже него распределённой зоной шириной 2b1 и высотой h1 с интенсивностью SM1 (рис.
23
7).
Поле линий уровня влажности между капельницами при моделировании
орошения с перечисленными параметрами представлено на рис. 8. Модель показывает взаимное перекрытие контуров увлажнения в рядке с растениями (капельницами). Инструментарий системы Mathcad позволяет использовать и цветовую
заливку получаемого поля распределения влажности, а также его трёхмерную
интерпретацию. Значения на линиях уровня показывают распределение влажности почвы при двух капельницах и одном источнике МДД при комбинированном
орошении в изотропных почвенных условиях.
Математическое моделирование урожайности сельскохозяйственных культур по результатам многофакторных полевых опытов осложнено существенной
изменчивостью даже при возделывании их в сходных агрометеорологических
условиях. Это обусловлено взаимным влиянием множества биологических, агротехнологических и природно-климатических факторов, поэтому построение достоверных регрессионных моделей урожайности ограниченной размерности, по
мнению ряда авторов, представляется маловероятным.
Методику определения
профиля
влажности с построением контура увлажнения в случае капельного
орошения
картофеля приведем
8
по результатам экспериментальных данных
Волгоградского филиала ВНИИГиМ для
следующих условий:
почвы
светлокаштановые, W1 =
ПВ=0,70,
НВ=0,45,
расход
капельницы
q = 1,1 л/ч, продолжительность полива t =
8,5 ч, объем поливной
TT
воды Q = 9,35 л. Сравнение с опытными
Рисунок 8 - Линии уровня смоделированного поданными
показало
ля распределения влажности
удовлетворительную
точность расчета. Средняя ошибка аппроксимации составила 8 %.
Задача определения параметров области увлажнения по экспериментальным данным усложнена смещением центра эллипсоида относительно поверхности почвы, при этом в ряде публикаций отмечается, что радиус пятна увлажнения
на поверхности не равен полуоси эллипса. Для проверки предлагаемой методики
24
компьютерного моделирования границ контуров увлажнения нами были приняты,
в качестве исходных, результаты экспериментальных исследований А.С. Штанько
и В.Н. Шкуры (2017, 2018). Координаты (xi, zi) экспериментальных точек представлены в табл. 12.
Таблица 12 – Координаты моделируемых точек области увлажнения, м
1
2
3
4
5
6
7
i
0,17
0,21
0,215
0,22
0,20
0,14
0
xi
0
0,10
0,20
0,30
0,40
0,49
0,51
zi
В качестве аппроксимирующих зависимостей принимались уравнения эллипса
−3 2
() = 2 ∙ √1 − (
1
) ,
(44)
где xr(zr) – расчетные значения радиуса области увлажнения, соответствующие
глубине zr, м; р1, р2, р3 – компоненты векторов р и р1, определяемые функцией
Minimize(f,a,b,zc) нахождения минимума в среде Mathcad.
Параметры (a,b,zc) определялись методом наименьших квадратов (МНК).
В диссертации показано, что использование различных видов уравнений
эллипса, в том числе при zc ≠ 0, является допустимым с погрешностями 7…18%.
Для определения оптимальных значений q* расхода капельниц воспользуемся результатами расчета мгновенных значений эксцентриситета по экспериментальным значениям полуосей эллиптических контуров увлажнения для капельниц
с расходами 0,7…2,5 л/ч (рис. 9).
Для объема воды m = 8,4 л, подаваемой каждой капельницей, были рассчитаны интегральные показатели эксцентриситета для каждого типа капельниц и
значения Кку (табл. 13).
Таблица 13 – Расчет интегральных показателей эксцентриситета для капельниц различной производительности
Показатель
Значение интеграла, мин
Время полива, мин
Кку
Расход капельниц, л/ч
1,1
1,8
378,6
265,9
458
315
0,8267
0,8443
0,7
615,6
720
0,8600
2,5
179,19
202
0,8871
Для данных табл.13 были получены по МНК параметры функции ку ()
интегрального значения эксцентриситета.
Кку(q) = 0,0398q2 - 0,1064q + 0,9057.
(45)
С учетом полученных параметров (рис. 9), функция Лагранжа (32) принимает вид
(, , ) = min, [0,03982 − 0,1064 + 0,9057 + ( − 8,4(1 − ))]
(46)
Тогда решение системы (32) определяется из
0,0796 ∙  − 0,1064 + 0 ∙  = 0.
Полученное значение q* = 1,34 л/ч удовлетворяет ограничениям (33) и
25
Интегральный эксцентриситет
находится внутри области эксперимента q ϵ [0,7; 2,5]. Отметим, что расход q* капельниц будет оптимальным для заданного сочетания параметров, однако, предложенная методика может применяться для других типов почв и характеристик
капельниц.
Полученные математические модели и разработанные методики рекомендуется применять для прикладных инженерных расчетов, связанных с определением гидравлических характеристик элементов КБО и параметров контуров
увлажнения.
0,94
ε(q) = 0,0398q2 - 0,1064q + 0,9057
0,92
0,90
0,88
0,86
0,84
0,82
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Расход капельниц, л/ч
Рисунок 9 -Зависимость интегрального показателя эксцентриситета от
производительности капельниц
Результаты моделирования также можно применять для прогнозирования
и назначения сроков поливов при проектировании и эксплуатации оросительных
систем в условиях светло-каштановых почв Нижнего Поволжья.
В пятой главе «Информационные технологии управления водным режимом сельскохозяйственных культур на основе математического моделирования» проведен анализ информационных технологий и программных средств
для поддержки принятия решений в области мелиорации и описаны разработанные программа для ЭВМ и БД «Параметры для расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур с учетом тепловлагообеспеченности региона» (№
2017620719 и др.).
Задача автоматизации управления режимом орошения сельскохозяйственных культур включает выбор способа полива и расчета режима орошения. Выбор
способа орошения зависит от следующих основных факторов: необходимость
увлажнения почвы, её гранулометрического состава, потребность регулирования
фитоклимата растений, уровня залегания грунтовых вод и уклоны поверхности
поля.
В качестве основной расчетной зависимости, используемой в имитационной модели, принималось выражение для текущего значения влажности почвы
(прогнозирующий режим)

 =  −  ∗ попр ∗  ∗  +
(47)

26
где W – текущее значение влажности почвы; Kt – текущее значение биоклиматического коэффициента суммарного испарения (для текущей накопленной суммы
температур); Ktпопр – поправочный коэффициент для Kt; Stj – средняя температура
для j-й декады, °C; Kof – значение коэффициента влагообмена (для текущей
накопленной суммы температур); Pj – осадки для j-й декады, мм; D – количество
дней в декаде.
Моделирование вегетационного периода осуществлялось по сумме положительных температур. Блок-схема программы изображена на рис. 10.
Интерфейс программы включает ряд
вкладок, обеспечивающих в интерактивном режиме выбор
исходных параметров
для проведения имитационного моделирования и гидромелиоративных расчетов.
На вкладке «Метеорологический блок»
можно вводить и редактировать по федеральным округам и
метеостанциям
метеоданные: год; месяц; декада; средняя
температура,
°С;
осадки, мм; скорость
ветра, м/с; влажность,
%. Метеоданные заносятся в таблицу,
позволяющую
частично автоматизировать ввод данных: год,
месяц и декада в новой строке увеличиваются на величину
одной декады (при
переполнении значения декады или месяца
происходит увеличение соответственно месяца или года на единицу); средняя температура, осадки,
скорость ветра и влажность равны значениям в предыдущей строке. Фрагмент
блок-схемы программы расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур изображен на рис. 10. Программа позволяет решать следующие задачи: веде-
Рисунок 10 - Фрагмент блок-схемы программы расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур
27
ние базы данных статистических материалов и параметров агроценозов и технологий орошения; составление научно обоснованных планов оросительных работ в
диалоговом режиме; сохранение, визуализация и экспорт результатов работы.
Взаимодействие программы с разработанной реляционной БД (рис. 11)
обеспечивается интерфейсом с несколькими вкладками.
На вкладке
«Почвенный
блок» расположены
элементы
управления для
ввода данных о
почвах: тип; подтип;
плотность
сложения,
т/м3;
наименьшая влагоемкость,
%;
максимальная
гигроскопичность, %; объемная масса расчетного слоя почвы,
т/м3; влажность
расчетного слоя
почвы, в % от
массы сухой почРисунок 11 - Фрагмент структуры реляционной БД
вы; средняя скорость впитывания за 1-ю единицу времени, м/ч. Метеоданные заносятся в таблицу, позволяющую частично автоматизировать ввод данных: средняя температура,
осадки, скорость ветра и влажность равны значениям в предыдущей строке.
График динамики
содержания влаги в почве
строится
программно
(рис.12).
В шестой главе
«Совершенствование технологий и технических
средств комбинированного
орошения
сельскохозяйственных культур» представлены новые технологии
КБО,
технические Рисунок 12 - Динамика содержания влаги в почве с
учетом предполивных порогов влажности
28
средства для капельного и комбинированного орошения сельскохозяйственных
культур; технические решения для научного обеспечения исследований, включая
прогнозирование урожайности и стендовое оборудование для моделирования
процессов влагопереноса.
На
основе
проведенного
функционального
и
конструктивноморфологического анализа выявлены основные направления совершенствования
технологий и технических средств КБО, которые можно использовать для модернизации оросительной техники V поколения. Разработаны технические решения
(капельный водовыпуск (пат. № 2343695), распылительная насадка системы КБО
для возделывания овощных культур (Пат. № 178110), капельница для комбинированного орошения (пат. № 154632), способы возделывания корнеплодов при комбинированном орошении (пат. № 2356205, № 2643730) (рис.13), а также стенд для
моделирования процессов влагообмена в почвогрунте при выращивании корнеплодов (пат. № 173771), обеспечивающие ресурсосбережение и совершенствование технологий комбинированного орошения.
Для научного обеспечения прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур на основе многолетних временных рядов (ВР)
предложен способ (пат. РФ
2400966), позволяющий учесть
динамику изменения урожайности за предшествующие годы и относительную повторяРисунок 13 - Схема перекрытия контуров
емость фрагментов ВР предувлажненных зон при возделывании корнеплодов прогнозного периода, предва(пат. РФ 2643730)
рительно преобразованных в
лингвистические ВР. Для этого используется предложенная зависимость
 =  +
(−)
2
средняя
∙(
средняя
1низкая +21
+31высокая
средняя
1низкая +1
+1высокая
− 1)
(48)
где 1низкая , 1
, 1высокая - количество появлений фрагментов предпрогнозного
периода, предшествующих лингвистическому значению «низкая», «средняя»,
«высокая» соответственно.
Изложенная методика может применяться для различных сельскохозяйственных культур при этом значения коэффициентов ki, определяемых по многолетним статистическим данным, будут различными для моделируемых культур.
В седьмой главе «Оценка эффективности и перспективы развития технологий комбинированного орошения» проведена агроэнергетическая оценка технологий орошения, включая методику агроэнергетической оценки возделывания
29
сельскохозяйственных культур на орошении и оптимизацию сельскохозяйственного производства по критерию энергетической эффективности в орошаемом
земледелии; оценена экономическая эффективность капельного и комбинированного орошения для корнеклубнеплодов; выявлены перспективные направления
совершенствования техники и технологии комбинированного орошения.
На производство планируемого урожая столовой свеклы расходуются материальные, энергетические и трудовые ресурсы. Энергозатраты по всем видам и
этапам работ учитывались на основе технологических карт возделывания столовой свеклы по вариантам опыта. Выход энергии в корнеплодах и всей агрологической массе определялся исходя из фактической урожайности, количества энергии,
заключенной в 1 кг сухого вещества корнеплодов столовой свеклы. Экономическая оценка вариантов опыта (табл. 14) свидетельствует, что, производство по
всем исследованным вариантам режима орошения являются рентабельными.
Таблица 14 – Показатели экономической оценки вариантов технологий
орошения столовой свеклы
Вариант
Урожсть,
т/га
А1В1
А1В2
А1В3
А2В1
А2В2
А2В3
62,6
63,7
67,8
66,9
80,9
68,8
Цена
Ст-ть прореал - ии, дукции,
руб/кг
тыс
руб/га
15
939,50
15
955,00
15
1017,50
15
1003,50
15
1213,50
15
1032,50
Произв.
затрат,
тыс.
руб/га
801,5
780,5
824,25
850,5
925,75
830,2
Себест.
прод-ции
тыс.
руб/кг
12,80
12,26
12,15
12,71
11,44
12,06
Чистый
доход,
тыс
руб/га
138,00
174,50
193,25
153,00
287,75
202,30
Рентаб.
%
17,2
22,4
23,4
18,0
31,1
24,4
Средняя цена реализации за 2010-2012 гг. составляла 12…15 руб./ кг. Самая
высокая рентабельность достигалась по фактору А на уровне А2 и изменялась в
пределах 18…31,1%. На вариантах фактора А1 наибольшее значение 23,4% было
на варианте А1В3. На варианте А2 производственные затраты составляли 850,5;
925,75; 830,2 тыс. руб. /га и превышали значения на варианте А1 за счет проведения МДД. В то же, прибавка урожайности на этих вариантах обеспечила рост рентабельности до 8 % по сравнению с КО.
Необходимо отметить, что в связи с ростом урожайности увеличиваются
экономические и энергетические затраты на применение машин и оборудования,
трудовых ресурсов и расход расходных материалов. Анализируя постатейные
расходы в зависимости от глубины увлажнения, можно сказать, основной рост затрат происходит от применения орошения, так как с увеличением глубины
увлажнения почвы происходит увеличение числа поливов, оросительной нормы и
соответственно увеличивается расход средств.
В условиях имеющегося диспаритета цен, даже эффективные по энергетическим критериям технологии, способствующие увеличению продуктивности сельскохозяйственных земель, могут оказаться экономически невыгодными. Поэтому
агроэнергетическую оптимизацию следует рассматривать совместно с экономиче30
ской оценкой. При этом возможна постановка оптимизационной задачи с технико-экономическими коэффициентами и экономической целевой функции.
Для оптимизации сельскохозяйственного производства в орошаемом земледелии использовалась модель максимизации агроэнергетического эффекта Э, построенная по методике П.В. Иванова и И.В. Ткаченко (2013) для возделывания
картофеля и столовой свеклы на капельном и комбинированном орошении. Была
сформулирована задача оптимизации выбора параметров орошаемых полей при
возделывании столовой свеклы и картофеля на капельном и комбинированном
орошении при ограниченности объёма последнего.
Для оптимизации параметров орошаемого земледелия по критерию агроэнергетической эффективности в сельскохозяйственном производстве была сформулирована и решена оптимизационная задача в линейной постановке. Целевая
функция в энергетических эквивалентах имеет вид
m
Э   X i  AiYi  BN i  CPi  DKi  EM I   max ,
(49)
i 1
где т - количество полей хозяйства; Xi - площадь, занятая i-й культурой, га; Yi функция прибавки урожайности i-й культуры (т/га); N, Р, К - дозы вносимых
азотных, фосфорных, калийных удобрений на 1-м поле, кг д. в./га; Mi — оросительная норма для i-го поля, м3/га; Аi - энергетический эквивалент урожайности iй культуры, Гкал/т; В, С, D - энергетические эквиваленты внесения действующего
вещества азотных, фосфорных и калийных удобрений соответственно ГДж/кг; Е энергетический эквивалент подаваемой оросительной воды, ГДж/ м3.
Ресурсными ограничениями задачи являются:
m
X M
i
i 1
m
X N
i
i 1
m
i
i
 Wорсет
 N зап
X P  P
i 1
i
зап
i
m
X K
i 1
m
X
i 1
i
i
i
(50)
 K зап
 S СО
х1,…, хm ≥ 0,
(51),
где Nзап, Kзап, Рзап — запасы азотных, калийных, фосфорных удобрений, кг д. в./гa;
Wорсет — лимитированная подача воды в хозяйство, м3/га; Sсо — площадь орошаемого севооборота в хозяйстве, га.
Для учета специфики комбинированного орошения введены дополнительные
ограничения (52), (53) по лимитирующим возможностям МДД, а также по необходимому объему производства каждой из возделываемых культур.
31
m
X M
i 1
мдд
i
m
X У
i 1
i
i
i
 Wормдд ;
(52)
 Zi
(53)
где Miмдд - оросительная норма МДД для i-го поля, тыс. м3/га; Wормдд — лимитированная подача воды для МДД, м3/га; Zi - необходимый объем производства i-ой
культуры, т.
Требуется определить соотношение капельного и комбинированного орошения по критерию максимума энергетической эффективности.
Математическое выражение линейной целевой функции оптимизационной
задачи для модельного хозяйства, возделывающего картофель и свеклу при КО и,
частично, с МДД, с учетом значений технико-энергетических коэффициентов,
приведенных в диссертации, принимает вид:
L(X) = 165,3385x1+179,20876 x2+312,22566 x3+375,43592 x4→max,
(54)
Решая задачу симплекс-методом в программе MS Excel, получены оптимальные значения параметров орошаемых участков на капельном (х1=23,3 га; х3=6,7
га) и на комбинированном орошении (х2=0 га, х4=20 га). Целевая функция (54)
принимает максимальное значение L(X)=13448.12 Гкалл.
Расчет удельной энергетической эффективности для лет различной обеспеченности осадками позволил получить зависимость её величины от их процентной обеспеченности (55).
Э = 1,8286w2 - 348,26w + 20322
(55)
где W – уровень влагообеспеченности, %.
Оценка экономической эффективности комбинированного орошения корнеплодов показала, что величина чистого дохода при производстве столовой свеклы
сорта Кастрел с использованием комбинированного орошения составила
556…1053 тыс. р./га.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Построена система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая влагоперенос при комбинированном орошении, учитывающая водно-физические свойства почв, для получения аналитических зависимостей динамики пространственного распространения влажности, и выявлены параметры (коэффициент диффузии в функции величины влажности, параметры линеаризации по времени коэффициентов влагопроводности), которые необходимо
экспериментально определять по параметрам пространственной области увлажнения.

Предложена классификация эллиптических контуров увлажнения по
величине эксцентриситета и получена взаимосвязь значения эксцентриситета и
коэффициента вытянутости формы. На основе аналитического подхода Шумако32
ва-Алексашенко предложена методика расчета параметров контура увлажнения
при комбинированном орошении с учетом влияния МДД, испарения и влагоотбора корнями растений.

Экспериментально установлены для светло-каштановых почв Нижнего Поволжья и аналитически описаны закономерности изменения во времени
конфигурации контура увлажнения по значению его эксцентриситета для расходов капельниц 0,7; 1,1; 1,4; 2,5 л/ч. Разработана методика оптимизации параметров капельниц по критерию минимума интегрального значения эксцентриситета,
учитывающая конфигурацию контура увлажнения и обеспечивающая требуемую
глубину промачивания для развития корневой системы корнеклубнеплодов.

Сравнение урожайности и водопотребления возделываемых корнеклубнеплодов показало, что, продуктивность при комбинированном орошении, по
сравнению с капельным, на 10-12 % выше при соизмеримых значениях показателей оросительной нормы (1600…2900 м3/га для столовой свеклы, картофеля
1526…2406 м3/га). При сочетании капельного орошения с мелкодисперсным дождеванием урожайность клубнеплодов повышается на 3,6…5,4 т/га.

Предложена конечно-разностная схема и методика численного компьютерного интегрирования дифференциальных уравнений математических моделей влагопереноса при комбинированном орошении, учитывающих воднофизические свойства почв и расположение капельниц и капельных линий.

Численное моделирование влагопереноса в среде Mathcad v.15 с использованием функции relax(f,a,b…..) позволило получить конфигурации поля
распределения влажности в почве с учетом смыкания контуров увлажнения соседних капельниц.

Построенная модель нелинейной оптимизации параметров капельниц
по критерию минимума интегрального значения эксцентриситета эллиптического
контура увлажнения, полученного экспериментально для светло-каштановых
среднесуглинистых почв, позволяет определить оптимальные значения расхода
капельниц.

Разработанный алгоритм имитационного моделирования развития
сельскохозяйственных культур обеспечивает моделирование вегетационного цикла растений и поливного режима на основе реляционной БД «Параметры для расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур с учетом тепло и влагообеспеченности региона» (свидетельство о государственной регистрации №
2017620719), содержащей оперативные или ретроспективные метеоданные, сведения о типах почв, природных условиях, культурах и их биоклиматических коэффициентах, способах орошения и др.

Разработанная методика расчета гидродинамических параметров
струи при мелкодисперсном дождевании, реализованная в программе для ЭВМ
(Свидетельство о государственной регистрации № 2017619110) позволяет определять траектории рассеивания капель различных фракций с учетом аэродинамического воздействия для различных значений критерия Рейнольдса.
33

Разработанные новые технические решения для обеспечения экспериментальных исследований (стенд для моделирования процессов влагообмена в
почвогрунте при выращивании корнеплодов (патент 173771 РФ); способ прогнозирования урожайности на примере озимой пшеницы, возделываемой в условиях
засушливого климата (патент 2400966 РФ), обеспечивают совершенствование
проведения научных исследований в области орошаемого земледелия.

Построенная линейная оптимизационная модель возделывания сельскохозяйственных культур на орошении в энергетических эквивалентах, учитывающая ограничения по объему комбинированного орошения, позволяет определять оптимальное распределение ресурсов по критерию агроэнергетической эффективности. Величина энергетической эффективности возделывания корнеклубнеплодов на комбинированном орошении, полученная для лет различной
влагообеспеченности, составила 74,8…149,6 Гкал/га для условий 50…95%-ой
обеспеченности осадками.

Подтверждена экономическая эффективность комбинированного
орошения корнеклубнеплодов. Величина чистого дохода при производстве столовой свеклы сорта Кастрел с использованием комбинированного орошения составила 153…288 тыс.р/га при рентабельности 18…31 %.
Рекомендации производству

Полученные математические модели на основе дифференциальных
уравнений влагопереноса в условиях светло-каштановых почв Нижнего Поволжья
и разработанная методика прикладных инженерных расчетов, реализованные в
программах для ЭВМ и БД (№ 2017620719 «Параметры для расчета режимов
орошения сельскохозяйственных культур с учетом тепловлагообеспеченности региона»; № 2017619110 «Моделирование кинематических показателей струи при
мелкодисперсном дождевании»; № 2016610138 «Компьютерное моделирование и
визуализация пространственной области увлажнения при капельном орошении»)
рекомендуется применять для проектирования режимов комбинированного орошения сельскохозяйственных культур.

Разработанные новые технические решения (способы возделывания
корнеплодов при комбинированном орошении (патенты 2356205, 2643730); капельный водовыпуск (пат. 2343695); распылительная насадка системы комбинированного орошения для возделывания овощных культур (пат. 178110) и капельница для комбинированного орошения (пат. 154632, U1)) рекомендуется применять для обеспечения ресурсосбережения при возделывании корнеклубнеплодов
при комбинированном орошении.

При комбинированном орошении корнеклубнеплодов рекомендуется
проводить мелкодисперсное увлажнение при превышении температуры воздуха
свыше биологически оптимальной (22…250С) и разницы между температурой
воздуха и поверхности листьев 5…70С продолжительностью 30…45 с, что может
34
обеспечить прибавку урожайности на 10…15 %.

Посадки картофеля на среднесуглинистых светло-каштановых почвах
при капельном орошении и предполивном пороге влажности 80%НВ в фазы «Посадка-Всходы», «Начало бутонизации –Бутонизация», «Полное цветение»;
90%НВ в фазу «Цветение – Окончание роста ботвы»; 70%НВ в фазу «Окончание
роста ботвы–Техническая спелость клубней» обеспечиваются поливными нормами 150, 100 м3/га соответственно, при этом наибольшая урожайность составила
38…40 т/га. На комбинированном орошении количество дополнительных к капельному поливу составило 30…45, при поливной норме 6 м3/га. Наибольшая
урожайность картофеля при комбинированном орошении была получена в приделах 42…45 т/га.

Для посевов столовой свеклы на среднесуглинистых почвах при капельном орошении и предполивном пороге влажности 80%НВ для фаз развития
«Всходы – 1-го, 2-го, 3-го листа» и 70%НВ для фазы развития «Утолщение корня
– Техническая спелость» обеспечиваются поливными нормами 150, 210 м3/га соответственно, при этом наибольшая урожайность составила 59…68 т/га. На комбинированном орошении количество дополнительных поливов к капельному составило 41…52, при поливной норме 10 м3/га. Наибольшая урожайность столовой
свеклы на комбинированном орошении составила 73…87 т/га. Для обеспечения
оптимальной продуктивности картофеля 42…45 т/га на комбинированном орошении при схеме посадки 0,50 х 0,50 м сдвоенными рядками и расстоянием между
рядами 0,90 м, рекомендуется применять капельницы с расходом 2,5 л/ч и более.
Данный расход капельниц обеспечивает контур увлажнения с радиусом 0,35 м и
глубиной увлажнения 0,4 м.

Для обеспечения оптимальной продуктивности столовой свеклы на
комбинированном орошении 73…87 т/га при посадке по схеме 0,05 х 0,08 м сдвоенными рядками и расстоянии 0,60 м между рядами, глубиной промачивания 0,5
м рекомендуется применять капельницы с расходом 1,3…1,4 л/ч. Данный расход
капельниц обеспечивает контур увлажнения с радиусом 0,20 м и глубиной увлажнения 0,5 м.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Дальнейшие исследования могут быть направлены на создание новых и более надежных систем комбинированного орошения и их конструктивных элементов, повышение энергоэффективности и совершенствование технологий их применения на основе более глубокого математического моделирования процессов
солее- и влагопереноса с учетом фрактальных свойств почв; совершенствование
состава, последовательности и параметров проведений комбинированного орошения; применение многофункциональных растворов, на пример, калий- и магниевых солей; внедрение автоматизированных технологий управления поливами на
основе математических моделей и информационно-управляющих систем с обратной связью.
35
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАНЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографии и препринты
1.
Мелихова, Е.В. Моделирование и обоснование ресурсосберегающих параметров капельного орошения при возделывании корнеплодов: монография /
Е.В. Мелихова.- Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2017. - 112 с.
2.
Математическое моделирование и анализ эколого-экономического регулирования с учетом трансграничного загрязнения окружающей среды: препринт /
А.Ф. Рогачев, Н.Н. Скитер, Т.В. Плещенко, Е.В. Мелихова. - Волгоград: ФГБОУ
ВПО Волгоградская ГАУ, 2014. – 56 с.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России
3.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование влагопереноса при локальном орошении в почвах фрактальной структуры / Е.В. Мелихова, В.В. Бородычев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и
высшее профессиональное образование. - 2017. - №4 (48). - С. 246-251.
4.
Мелихова, Е.В. Исследование влияния агромелиоративных факторов на
урожайность столовой свеклы при комбинированном орошении / Е.В. Мелихова,
В.В. Бородычев // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса:
Наука и высшее профессиональное образование. - 2017. - №3(47). - С.234-240.
5.
Мелихова, Е.В. Моделирование влагопереноса при комбинированном
орошении с использованием дифференциального уравнения Пуассона / Е.В. Мелихова, В.В. Бородычев // Мелиорация и водное хозяйство. - 2017. - № 2. - С. 1619.
6.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование солевого режима при
фертигации в почвогрунтах фрактальной структуры // Известия Нижневолжского
агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. - 2017. - №2(46). - С.249-255.
7.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование оптимального управления инвестиционными стратегиями предприятий АПК с учетом неопределенности
/ Е.В. Мелихова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса:
Наука и высшее профессиональное образование. – 2017. - №1(45). - С. 292-300.
8.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование процессов влагопереноса при капельном и внутрипочвенном орошении / Е.В. Мелихова // Известия
Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. - 2016. -№ 1 (41). - С. 228-234.
9.
Рогачев, А.Ф. Нечетко-множественное моделирование и оценка экологической безопасности сельскохозяйственных земель при радиационном загрязнении / А.Ф. Рогачев, Е.В. Мелихова // Глобальная ядерная безопасность. - 2016. № 1 (18). - С. 7-18.
10.
Мелихова, Е.В. Моделирование контура увлажнения при капельном
орошении с использованием дифференциальных уравнений в частных производных / Е.В. Мелихова // Фундаментальные исследования. - 2015. № 9-2. - С. 282285.
11.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование и программная реализация уровня продуктивности сельскохозяйственных земель методом нечеткого
36
вывода [Электронный ресурс] / Е.В. Мелихова // Современные проблемы науки и
образования. - 2015. № 2-2. - Режим доступа: https://scienceeducation.ru/pdf/2015/2-2/7.pdf.
12.
Заяц, О.А. Моделирование динамики урожайности зерновых культур в
Нижнем Поволжье методом многократного выравнивания/ О.А. Заяц, Е.В. Мелихова, Д.А. Мелихов // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н. И. Вавилова. - 2009. - №11. - С 52-56.
13.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование и оптимизация режима
орошения корнеплодов на светло-каштановых почвах Волгоградской области /
Е.В. Мелихова // Известия Нижневолжского агропромышленного университетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2009. - №1. С. 126-132.
14.
Мелихова, Е.В. Дифференцированный режим орошения и питания столовой свеклы на светло-каштановых почвах Волго-Донского междуречья / Е.В.
Мелихова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и
высшее профессиональное образование - 2007 г. - №3. - С. 35-41.
15.
Григоров, С.М. Математическая модель капельного орошения / С.М.
Григоров, Е.В. Мелихова // Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И.
Вавилова. 2007.- №4. С. 30-32.
16.
Григоров, М.С. Режим орошения столовой свеклы на светлокаштановых почвах Волгоградской области / М. С. Григоров, Е.В. Мелихова //
Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: Наука и высшее
профессиональное образование. -2006. - № 4. -С. 3-6.
17.
Rogachev A.F. Monitoring and Economic & Mathematical Modeling of
Manufacture and Consumption of Agricultural Products as a Tool of Food Security
Management / A.F. Rogachev, A.V. Shokhnekh, E.V. Melikhova // Revista ESPACIOS.
Vol.
Vol.
39
(Nº
01)
Year
2018.
Page
1.
http://www.revistaespacios.com/a18v39n01/18390101.html
18.
Information technology of cognitive modeling of industrial and investment
self-development of the medium-sized and single-industry towns / A.F. Rogachev, E.V.
Melikhova, A.V. Shokhnekh / Revista ESPACIOS. Vol. 38 (Nº 27) 2017. Pág. 4.
Патенты на изобретения и полезные модели
19.
Пат. РФ 2643730 С1 А01 G 1/00, А01. G 25/02 «Способ возделывания
корнеплодов при комбинированном орошении и устройство для его осуществления» Мелихова Е.В., Рогачев А.Ф., Бородычев В.В. Опубл. 05.02.2018, Бюл. №4.
20.
Пат. РФ 173771 U1. МПК G 01 N 33/24, A 01 G 25/16. «Стенд для моделирования процессов влагообмена в почвогрунте при выращивании корнеплодов
на капельном орошении» Опубл. 11.09.2017, Бюл. № 2
21.
Пат. РФ 154632 U1 А01G25/02. «Капельница для комбинированного
орошения» Рогачев А.Ф., Бородычев В.В., Мелихова Е.В. и др. Опубл. 27.08. 2015
Бюл. №24.
22.
Пат. РФ 2400966 С1 А01 G 7/00 «Способ прогнозирования урожайности
озимой пшеницы, возделываемой в условиях засушливого климата» Рогачев А.Ф.,
Гагарин А.Г., Мелихова Е.В. и др. Опубл. 10.10.2010 Бюл. №28.
23.
Пат. РФ 2343695 С1. МПК А01G25/00 «Поливная трубка для капельного оро-
37
шения» Рогачев А.Ф. Салдаев А.М., Мелихова Е.В. Опубл. 20.01.2009 Бюл. №2
24.
Пат. РФ 2356205 С1. МПК А01B 79/02 «Способ возделывания столовых сортов свеклы преимущественно в системе капельного орошения» Салдаев А.М., Мелихова
Е.В. Опубл. 27.05.2009 Бюл. №15.
25.
Пат. РФ 178110 U1. МПК А01G25/00 «Распылительная насадка системы комбинированного орошения для возделывания овощных культур» Мелихова Е.В., Рогачев
А.Ф., Бородычев В.В. Опубликовано: 23.03.2018 Бюл. № 9.
Программы для ЭВМ и базы данных
26.
Свидетельство об официальной регистрации базы данных № 2017620719 от
04.07.2017 «Параметры для расчета режимов орошения сельскохозяйственных культур с
учетом тепловлагообеспеченности региона» / Гагарин А.Г., Рогачев А.Ф., Мелихова Е.В.
Заявка №2017620443 11.05.2017.
27.
Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №
2017619110 от 15.08.2017 «Моделирование кинематических показателей струи при мелкодисперсном дождевании» / Н.Ю. Мильченко, Е.В. Мелихова Заявка №2017615884 от
20.06.2017.
28.
Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ №
2016610138 от 20.02.2016 «Компьютерное моделирование и визуализация пространственной области увлажнения при капельном орошении» / Мелихова Е.В. Заявка №
2015661091 от 17.11.2015.
29.
Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ
№2015663409 от 20.01.16 «Оценка уровня состояния эколого-экономической безопасности «RegEcoSafe» Исаев И.В., Рогачев А.Ф., Мелихова Е.В. и др. / Заявка № 2015660182
от 27.10.15.
30.
Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ «Компьютерное моделирование распределения поля влажности при капельном и комбинированном орошении» / Мелихова Е.В, Рогачев А.Ф., Рыжова Т.В. Заявка №2017615884 от
20.05.2018.
Публикации в периодических изданиях, сборниках научных трудов
и материалах научно-практических конференций:
31.
Мелихова, Е.В. Критерии выбора математических моделей / Е.В. Мелихова,
Ф.Д. Микаилсой // Мировые научно-технологические тенденции социальноэкономического развития АПК и сельских территорий: Международная научнопрактическая конференция. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018. – Том
3. - С. 403-411.
32.
Мелихова, Е.В. Оптимизация параметров ресурсосберегающих режимов комбинированного орошения корнеплодов на основе математического моделирования / Е.В.
Мелихова // Мировые научно-технологические тенденции социально-экономического
развития АПК и сельских территорий: Международная научно-практическая конференция. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2018. – Том 4. – С.128-133.
33.
Мелихова, Е.В. Системно-динамическое моделирование развития растений в
орошаемом земледелии // Актуальные направления научных исследований в АПК: от
теории к практике: материалы Национальной научно-практической конференции, Волгоград, 10 ноября 2017 г. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2017. – Часть 2.
- С. 175-181.
34.
Мелихова, Е.В. Разработка системы поддержки принятия решений при выборе режима орошения сельскохозяйственных культур / Е.В. Мелихова, А.Г. Гагарин //
38
Актуальные направления научных исследований в АПК: от теории к практике: материалы Национальной научно-практической конференции, Волгоград, 10 ноября 2017 г. –
Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. - 2017. – Часть 2. –С.181-187.
35.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование движения капель воды при
спринклерном орошении / Е.В. Мелихова, А.Ф. Рогачев, В.В. Бородычев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. - 2017. - № 2 (66). - С. 131-137.
36.
Мелихова, Е.В. Моделирование влагопереноса при капельном орошении с использованием стендового оборудования / Е.В. Мелихова // Аллея науки. - 2017. Т.3. №13. - С. 791-794.
37.
Мелихова, Е.В. Информационные гипертекстовые технологии при подготовке
персонала для управления гидромелиоративными системами / Е.В. Мелихова // Развитие
научного и художественного мышления как фактор воспитания личности: материалы
Международной научно-практической конференции, 4 апреля 2017 года, г. Волгоград. –
Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ. - 2017. – Ч. 1. – С.67-72.
38.
Мелихова, Е.В. Методическое обеспечение математического моделирования
динамики влагопереноса при комбинированном орошении с использованием дифференциальных уравнений / Е.В. Мелихова // Развитие научного и художественного мышления как фактор воспитания личности: материалы Международной научно-практической
конференции, 4 апреля 2017 года, г. Волгоград. – Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский
ГАУ, 2017. – Ч. 1. – С.93-99.
39.
Мелихова, Е.В. Мелиоративно-технологические приемы борьбы с сорняками
при возделывании сельскохозяйственных культур на орошении / Е.В. Мелихова // Территория инноваций. - 2017. - № 9 (13). - С. 12-19.
40.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование движения капель воды при
спринклерном орошении / Е.В. Мелихова, А.Ф. Рогачев, В.В. Бородычев // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. Новочеркасск. - 2017. - № 2 (66). - С.
131-137.
41.
Мелихова, Е.В. Компьютерное моделирование влагопереноса при капельном
орошении с использованием численного решения дифференциальных уравнений в частных производных / Е.В. Мелихова // Эколого-мелиоративные аспекты рационального
природопользования: материалы международной научно-практической конференции 31
января – 03февраля. г. Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ, 2017. - Т. 3 - С.465-470.
42.
Гаврилов, В.Д. Физическое моделирование влагопереноса при капельном
орошении с использованием стендового оборудования / В.Д. Гаврилов, Е.В. Мелихова //
В мире научных открытий Материалы Международной студенческой научной конференции. г. Ульяновск. - 2017. - С. 109-111.
43.
Мелихова, Е.В. Компьютерная реализация численного решения пространственной задачи влагопереноса при капельном орошении / Е.В. Мелихова // В сборнике:
Стратегические ориентиры инновационного развития АПК в современных экономических условиях материалы международной научно-практической конференции: в 5 частях. г. Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ, 2016. - С. 279-283.
44.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование процессов влагопереноса с
целью энергосбережения / Е.В. Мелихова, А.Ф. Рогачев // Современные энерго- и ресурсосберегающие, экологические устойчивые технологии и системы сельскохозяйственного производства: сборник науч. тр. / под ред. Н.В. Бышова. – Вып. 12. – Рязань: ФГБОУ
ВО РГАТУ. - 2016. - С.107-112.
45.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование влагопереноса при капельном
и комбинированном орошении / Е.В. Мелихова // В сборнике: Стратегическое развитие
39
АПК и сельских территорий РФ в современных международных условиях материалы
Международной научно-практической конференции, посвящённой 70-летию Победы в
Великой Отечественной войне 1941-1945. - г. Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ. - 2015. С. 229-233.
46.
Мелихова, Е.В. Элементы техники полива при капельном орошении / Е.В.
Мелихова // Материалы IV международной научно-практической конференции. - Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ. - 2014. - С.127-132.
47.
Рогачев, А.Ф. Проблемы статистического оценивания параметров когнитивной карты на основе корреляционного анализа / А.Ф. Рогачев, Е.В. Мелихова // Физикоматематические науки: теория и практика Сборник материалов международной научной
конференции. Москва. - 2014. - С. 55-62.
48.
Мелихова, Е.В. Статистические проблемы оценивания параметров когнитивной карты на основе корреляционного анализа / Е.В. Мелихова // В сборнике: Научные
основы стратегии развития АПК и сельских территорий в условиях ВТО материалы
международной научно-практической конференции, посвящённой 70-летию образования ВолГАУ. - Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ. - 2014. - С. 173-177.
49.
Токарев, К.Е. Методические аспекты использования средств компьютерной
поддержки при изучении прикладных математических дисциплин / К.Е. Токарев, Е.В.
Мелихова // Аграрное образование: традиции, новации, качество, 12-14 марта. - Волгоград: ФГБОУ ВО ВолГАУ. - 2014 г. - С. 120-126.
50.
Обоснование, адаптация и компьютерная реализация математикостатистических методов прогнозирования урожайности сельскохозяйственных культур в
условиях Нижнего Поволжья: отчет о НИР/ А.Ф. Рогачев, Е.В. Мелихова, А.Г. Гагарин и
др.- Волгоград: ФГБОУ ВПО ВГСХА, - 2008. – 120 с.
51.
Мелихова, Е.В. Водосберегающий режим орошения столовой свеклы на светло-каштановых почвах Волгоградской области / Е.В. Мелихова // Научное обеспечение
национального проекта «Развитие АПК». - 2008. - С. 103-106.
52.
Мелихова, Е.В. Математическое моделирование и оптимизация водного режима при капельном орошении / Е.В. Мелихова, С.М. Григоров // В сборнике: Безопасность водохозяйственных объектов Юга России и мелиорации антропогенных ландшафтов Материалы Всероссийской научно-практической конференции. ФГОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия». - Новочеркасск - 2008. - С. 163168.
53.
Григоров, М.С. Влияние режима орошения и минерального питания на урожай и качество корнеплодов / М.С. Григоров, Е.В. Мелихова // Природопользование в
мелиоративном земледелии. Международная научно-практическая конференция. - Новочеркасск. - 2006. - С. 127-130.
40
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа