Михайлов Ю.О. Наукові засади і технологія водозберігаючого превентивного управління водокористуванням на зрошувальних системах

Краткое содержание

У першому розділі за результатами аналізу літературних джерел сформульовано основні проблеми, що стосуються управління водокористуванням при зрошенні, та шляхи їх вирішення з врахуванням сучасних науково-технічних та соціально-економічних вимог.

Наукові дослідження, що стосуються вирішення проблеми, розглянутої у дисертації, були розпочаті С.І.Харченко та І.С.Шпаком. Цей напрям можна назвати як "розробка методів раціонального використання води у зрошуваному землеробстві на засадах воднобалансових досліджень". Автором дисертації ці дослідження розвинені в напрямі наукового обгрунтування методів і розробки технологій управління водокористуванням і водним режимом територій зрошувальних систем та їх груп в зоні магістральних каналів. При цьому широко використані публікації Коваленка П.І., Штаковського А.В., Остапчика В.П., Києнчука О.Ф., Мессаровича М., Сванідзе Г.Г., Крицького С.М., Менкеля М.Ф., Ромащенка М.І., Гуріна В.А., Кірьянова В.М., Ліхацевича А.П., Лазарчука М.О., Юрченко І.Ф., Яцика А.В., Картелішвілі М.А., Попова В.М., Жовтоног О.І., Смєхнова Ю.Л., Мавлютдінової І.А., Ангутаєва А.Г., Гриня Ю.І., Штангея А.І. та багатьох інших.

Серед загальних проблем у використанні водних ресурсів  при зрошенні можна виділити:

природні, а саме, дефіцит якісної води, віддаленість її джерел від регіонів, де рослинництво відчуває щорічний дефіцит вологи, слабка природна дренованість та низька ерозійна стійкість зрошуваних земель, випадковий характер зміни метеорологічних факторів, що обумовлюють стохастичну природу режиму формування дефіциту водоспоживання зрошуваних культур; технічно-технологічні, а саме, значна розгалуженість та протяжність водорозподільної мережі, велика кількість гідротехнічних споруд і дощувальної техніки, недостатня штучна дренованість зрошуваних земель, дефіцит електроенергії, застарілі технології управління водорозподілом і поливами;

економічні, а саме, брак коштів на модернізацію, реконструкцію і навіть поточну експлуатацію зрошувальних систем, а також на охорону і відтворення водних ресурсів, слабкі економічні стимули впровадження ресурсозберігаючих технологій зрошення та управління водорозподільними системами; 

екологічні, а саме, погіршення якості води внаслідок її забрудненням, загроза локального підтоплення сільськогосподарських угідь і сільських населених пунктів грунтовими водами, збіднення природних рослинних форм ландшафтів, зниження родючості зрошуваних грунтів; 

адміністративно-організаційні, пов'язані з відсутністю дієвого механізму державного управління використанням, охороною водних ресурсів, адекватного швидким змінам соціально-економічного становища країни.

Головною проблемою коректного наукового забезпечення технологій ефективного управління водокористування при зрошенні є непередбачений характер водоспоживання. До того ж це ускладнюється штучною розірваністю єдиного технологічного процесу управління на міжгосподарський водорозподіл і внутрігосподарське водокористування. В зв'язку з цим необхідна нова теоретична та експериментальна база для розробки новітніх методів та технологій управління водокористуванням на зрошувальних системах як процесом стохастичної природи. При цьому потрібно обгрунтувати систему показників та критеріїв управління  водокористуванням, ідентифікувати зрошувальні системи та технологічні процеси на них з відомими, виявити характер та основні закономірності функціонування кожного функціонального рівня систем і технологічно цілісної їх групи.

Пріоритетність проблем, пов'язаних з управлінням водокористуванням постійно змінюється. Наприклад, протягом 1996-2000 рр. умови експлуатації зрошувальних систем суттєво погіршилися. На це наклалися екстремальні погодні умови 1997-1998 рр., які призвели до підтоплення сільськогосподарських угідь і сільських населених пунктів грунтовими водами, в чому безпідставно звинуватили зрошення.

В зв'язку з цим, основна наша увага приділена управлінню міжсистемним і міжгосподарським водорозподілом відповідно до зростаючого дефіциту електроенергії при одночасному зменшенні водоспоживання. Розроблялася система управління, яка, перш за все, передбачає суттєву економію електроенергії, платне водокористування.

Припинення нового будівництва зрошувальних систем, брак коштів на модернізацію діючих надали науковому напрямку з раціонального управління технологічними процесами при зрошені особливу актуальність, тому що це найдешевший шлях до зменшення експлуатаційних витрат, економії води та електроенергії, поліпшення еколого-меліоративного стану меліорованих та прилеглих до них земель.

В світі спостерігаються аналогічні тенденції. На XYII конгресі Міжнародної Комісії по іригації і дренажу, що відбувся у 1999 р. в Іспанії, основним напрямком подальшого розвитку меліорації названо модернізацію зрошувальних систем за наступними принципами: врахування технічних, фінансових, соціальних та політичних аспектів; використання некондиційних вод як заходу компенсаційного характеру; ефективний водорозподіл як показник необхідності модернізації.

В основу експериментальних досліджень по дисертаційній темі закладені спостереження за формуванням елементів водного балансу, поверхневого та підземного стоку в усіх ланках типових для України зрошувальних систем.

Актуальність подальшого розвитку систем управління у зрошуваному землеробстві не послаблюється. На зрошувальних системах України найбільш актуальними в цьому напрямку є дослідження, спрямовані на суттєву зміну принципів управління використанням води. Внаслідок стохастичної природи цього процесу на перше місце виходять формальні правила управління. Комп'ютерна техніка використовується в таких системах управління як допоміжний засіб для підготовки декількох варіантів управлінських рішень.

Наукова гіпотеза досліджень. Використання води на зрошувальних системах здійснюється за допомогою великої кількості послідовно з'єднаних у деревоподібній структурі гідротехнічних об'єктів, кожен з яких функціонує автономно і за своїми законами, але в залежності від стану інших об'єктів та системи в цілому. Стан системи та кожного її об'єкту непередбачено змінюється у часі, тому що залежить від багатьох факторів, частина з яких завжди має імовірну природу, а решта є детермінованою, тобто на зрошувальній системі відбуваються процеси стохастичної природи.

Значна складність та багатогранність проблеми вимагає великого об'єму експериментальних досліджень у всіх структурних ділянках типових діючих зрошувальних систем України, а саме на розподільній мережі зрошувальних каналів, зрошуваних сівозмінах, колекторно-дренажній мережі. Вивчення процесів водокористування на зрошувальних системах не повинно бути відірваним від процесів формування структури загальногалузевого водоспоживання у господарстві України та окремих її регіонів.

Зрошення є впливовим фактором у формуванні стану оточуючого природного середовища, тому водокористування потрібно розглядати з позиції його екологічної безпеки. Зрошення є затратною технологією землеробства, яка потребує багато води, енергії та пального, тому водокористування повинно бути водо- та енергозберігаючим.

У другому розділі обгрунтовуються теоретичні підходи та методи досліджень, наводиться характеристика умов їх проведення. Складність проблеми, що розглядається, ставить особливі вимоги до методів та умов досліджень. Використовується дедуктивний метод досліджень на регіональному рівні, та індуктивний на рівні окремих ділянок та об'єктів зрошувальних систем.

За конструктивними та функціональними ознаками зрошувальна система поділена нами на чотири підсистеми: водорозподільну, яка складається із відкритих каналів з б'єфами, обмеженими підпірно-регулювальними спорудами або перекачувальними насосними станціями внутрігосподарську, яка складається із водозабірної споруди або насосної станції на міжгосподарському каналі, мережі відкритих внутрігосподарських каналів або напірних трубопроводів, дощувальних машин; сільськогосподарську, яку утворюють зрошувані поля з культурними рослинами; водовідвідну, яка складається із колекторно-дренажної та скидної мережі, водоприймача. Зрошувальна система, в свою чергу, розглядається як складова великої природно-техногенної системи.

Зрошувальну систему можна представити (рис. 1) у вигляді сукупності послідовно з'єднаних підсистем. Між підсистемами відбувається прямий (стрілки, спрямовані проти ходу годинника) та зворотний зв'язок (стрілки, спрямовані за ходом годинника), який описується безперервними функціями зміни у часі рівнів та витрат води (гідрографів). Вихідна функція кожної підсистеми залежить від її поточного та попереднього стану, а також від поточного та попереднього стану інших підсистем, внаслідок чого управління зрошувальною системою можна здійснювати із застосуванням як поточної, так і ретроспективної інформації про зміни у її стані в залежності від впливових факторів.

Особливості структурної побудови зрошувальної системи вже дозволяють ідентифікувати водокористування зі складним процесом стохастичної природи, тому що в ній присутній потужній генератор випадкових збурень у поточному режимі водоспоживання сільськогосподарських культур, обумовлений непередбаченим характером зміни метеорологічних факторів. За такою ідентифікацією водокористування можна моделювати за допомогою емпіричних зв'язків між парами "вхід–вихід" окремих підсистем. Аналітичними виразами цих функцій можуть бути рівняння водного балансу, функції розподілення імовірностей, емпіричні залежності статистичних параметрів рядів спостережень за елементами  водокористування від різноманітних факторів природного та штучного походження.

Використані наступні статистичні параметри рядів спостережень за елементами водокористування: середня арифметична величина, середнє квадратичне відхилення, дисперсія, коефіцієнт варіації, коефіцієнт асиметрії, коефіцієнт внутрірядної кореляції. За детерміновані параметри водорозподілу прийняті: площа зрошення, яка пов'язана з кількістю водоспоживачів; гідрологічні характеристики гідрографів водозабору, водоподачі, водовідведення.

При дослідженні стохастичних процесів на зрошувальних системах активний експеримент принципово неможливий. Пасивний експеримент дає частіше неоднорідні ряди випадкових величин. Першою вимогою до результатів такого експерименту є, як відомо, відповідність вибірок генеральній сукупності. Суб'єкт управління водокористуванням - водопостачальник, відкидаючи вірну гіпотезу, відкидає вірне управлінське рішення, приймаючи хибну, він приймає невірне рішення і може завдати шкоди водоспоживачу. Рівень значимості знаходиться, за нашою оцінкою, у діапазоні від 0,10 до 0,20 і є достатнім для прогнозування елементів водокористування.

Експериментальні дослідження по дисертаційній темі засновані на спостереженнях за формуванням елементів водного балансу, поверхневим та підземним стоком у різних ланках зрошувальних систем. Водний баланс можна описати рівняннями, що складаються з двох частин – суми елементів надходження та суми елементів витрат. Алгебраїчна сума надходження та витрат дорівнює величині зміни запасів вологи у балансовому об'ємі. Із зростанням балансового об'єму та тривалості розрахункового періоду кількість елементів водного балансу та його відносна нев'язка зменшуються. Стік води (підземний і поверхневий) є результатом випадкової взаємодії природних та штучних процесів формування водного балансу, тому ряди вимірюваних його величин є стохастичними.

Регіон проведення досліджень розташований в межах Причорноморської фізико-географічної провінції, яка входить у Степову зону Руської рівнини. За нашим районуванням виділено шість підзон з близькими природними умовами формування водного балансу. Річний шар атмосферних опадів становить 320-430 мм, поверхневого стоку – не більше 25 мм, густота гідрографічної мережі – 0,1-,4 км/км2, її глибина – 5-100 м, середньозважений ухил місцевості – 0,1-18‰. Верхня покривна товща грунтів представлена четвертинними відкладеннями лесовидних суглинків, які підстилаються пліоценовими глинами – першим регіональним водоупором. Безнапірний водоносний горизонт розвинений у четвертинних відкладеннях, має переважно суцільне розповсюдження. Його води залягають на глибині 1-25 м.,  мають мінералізацію 1-10 г/л.

Наші дослідження дозволяють класифікувати зрошувальні системи України на три основні типи. Системи першого типу з поливом ДДА-100МА (ЕДМФ "Кубань") побудовані на 30%  зрошуваних площ України, мають розгалужену зрошувальну – 20-25, колекторно-дренажну – 10-40 та скидну – 1-7 м/га мережу. Системи другого типу з поливом переважно ДМ "Фрегат" та ДФ "Дніпро" займають біля 68% площі, мають закриту напірну внутрігосподарську зрошувальну мережу довжиною 18-20 м/га при довжині відкритих водорозподільних каналів – 5 м/га, колекторно-скидна мережа розвинена слабо – до 1м/га. До систем третього типу віднесені рисові, які компактно розташовані на узбережжі заток Чорного та Азовського морів і займають невелику площу – 3%, мають розгалужену – 40 зрошувальну, колекторно-дренажну – 40,  та скидну – 30 м/га мережу. Експериментами охоплені всі три види зрошувальних систем.

Основний об'єм експериментальних даних отриманий автором в результаті вимірювань витрат та рівня води в каналах та гідрографічній мережі, атмосферних опадів, вологості грунту, рівня грунтових вод. Первинна обробка даних проводилася методами, звичайними для гідрології суші та гідрометеорології.

Статистична обробка рядів вимірюваних величин велася методами статистичної гідрології за перерахованими вище статистичними параметрами. Емпіричні криві розподілення імовірностей для експериментальних вибірок будувалися за формулою М.М.Чегодаєва після сортування рядів у порядку убування їх членів (для рядів групової водопотреби-нетто – у порядку зростання). Однорідність рядів вибірково оцінювалася за допомогою критеріїв Стьюдента, Вількоксона, Фішера, Неймана.