Пути повышения эффективности управления водоподачей в оросительных каналах мелиоративных систем

Введение

. Согласно Водного кодекса Российской Федерации, водопользование — это использование различными способами водных объектов для удовлетворения потребностей Российской Федерации, субъектов Российской Федерации, муниципальных образований, физических лиц, юридических лиц [1].

В настоящее время агропромышленный комплекс (АПК) России является крупнейшим потребителем водных ресурсов. К основным функциям водораспределения в АПК относят забор воды из источника орошения, ее транспортирование и распределение между потребителями в соответствии с планами полива и поливными нормами [2]. От качества выполнения данных функций зависит не только эффективность работы оросительной системы в целом, но также эффективность орошения и орошаемого земледелия на системе. Для выполнения функций транспортирования воды и ее распределения между потребителями должна быть четкая организация водораспределения на оросительной системе, включающая согласованную работу всех гидротехнических сооружений системы при наличии большого количества технологических, ресурсных и прочих ограничений.

Вопросами повышения эффективности и оптимизацией водораспределения на оросительных системах занимались такие известные ученые, как Я. В. Бочкарев, В. И. Ольгаренко, В. Н. Щедрин, Ю. Г. Иваненко, В. И. Коржов, А. А. Ткачев и многие другие. Их научные работы [3−7] посвящены исследованиям рационального распределения и использования водных ресурсов, начиная от теоретического обоснования целесообразности создания оросительной системы и заканчивая внедрением в производство совершенных технологий управления водораспределения с учетом принципов автоматизации и телемеханизации [8].

Цель данной работы заключается в повышении эффективности и совершенствовании оперативного управления водораспределением за счет использования информационных технологий в практике диспетчерской службы межхозяйственных оросительных систем. Поставленная цель достигается созданием компьютерной технологии, реализуемой в формате веб-приложения, базирующегося на широко применяемых сегодня облачных сервисах.

В настоящее время сформировались основные тенденции совершенствования методов управления водораспределением. К ним можно отнести активное развитие технической базы автоматизации и внедрение средств местной автоматики на отдельных звеньях ГМС. Более высокий качественный уровень управления обеспечивается сочетанием методов локальной автоматизации отдельных объектов с методами централизованного контроля и управления (ЦКУ) в рамках АСУ ТП водораспределения.

Однако, отсутствие достаточного опыта проектирования и эксплуатации АСУ ТП водораспределения затрудняет решение ряда принципиальных вопросов разработки автоматизированных систем управления гидромелиорации. Одним из узловых вопросов является алгоритмизация процесса принятия решений при управлении, выбор критерия эффективности и показателей качества управления.

Повышение эффективности управления водораспределением на оросительной системе является одним из основных вопросов орошаемого земледелия.

К недостаткам управления водораспределением на оросительной системе можно отнести следующее [8]:

• — технологически необоснованное завышение заборов воды в оросительную сеть, что приводит к излишним затратам на ее транспортировку, образованию дефицита для потребителей и непроизводительным сбросам;
• — поддержание в бьефах каналов завышенных командных уровней, способствующих увеличению процессов фильтрации;
• — низкую оперативность управления подачей воды водопользователям, приводящую к нарушению сроков и норм полива и многие другие.

Современное развитие орошаемого земледелия невозможно представить без автоматизации процесса водоподачи. Самый большой эффект будет достигнут в случае автоматизации всего технологического процесса водоподачи — от водозабора до полива путем внедрения соответствующих технических средств на объектах регулирования водоподачи [7].

Объекты регулирования на внутрихозяйственной оросительной сети, где происходят наибольшие потери воды, достигающие 10−20% от объема водоподачи, представлены водовыпусками в открытые оросители. Эти гидротехнические сооружения являются наиболее массовыми, они рассредоточены на большой территории, поэтому использование здесь регуляторов гидравлического действия будет выгоднее, особенно с энергетической точки зрения.

Именно поэтому работы, направленные на совершенствование технических средств регулирования водоподачи для открытой внутрихозяйственной сети оросительных систем, представляют собой практический интерес и являются актуальными.

Для управления процессами водоподачи, водораспределения и использования воды на полях следует предусматривать автоматизацию оросительных систем. Автоматизация оросительных систем должна обеспечивать наибольший технико-экономический эффект в процессе эксплуатации мелиоративных систем, максимальное соответствие между водоподачей и водопотреблением. Весь процесс от водозабора до полива необходимо рассматривать как единый и непрерывный [8].

Гидрологический режим источника орошения и пропускная способность сети и сооружений оросительной системы должны обеспечивать своевременную подачу воды на орошаемые земли в количестве, гарантирующем получение 90% среднегодовой продукции растениеводства за не менее чем 20-летний период наблюдений, получаемой при полном удовлетворении потребности растений в воде и обеспечении оптимальных агротехнических условий.

Основное назначение мелиоративных систем — создание оптимального водно-воздушного баланса в корнеобитаемом слое почвы, отвечающем биологическим особенностям растений, возделываемых на территории мелиоративного участка.

Ниже приведем основные схемы управления водораспределением, их достоинства и недостатки [5, 8].

1. По верхнему бьефу.

Основным достоинством водораспределения по верхнему бьефу является то, что этот способ самый простой, имея большую популярность применения в простых гидротехнических сооружениях, позволяет точно и надежно снабжать водопотребителей, а в случае возникновения недостатков ресурсов воды, опасности засоления, заболачивания земель — является единственно возможным.

Однако при нарушении планового водопотребления данный способ имеет следующие недостатки:

• — возможность получения меньшего количества воды водопользователями наиболее удаленными от головы канала;
• — неизбежность возникновения при регулировании излишков, технологических сбросов.
• 2. По нижнему бьефу.

При регулировании по нижнему бьефу главным плюсом является то, что объем забора воды через головное сооружение ниже, чем в указанном выше варианте водораспределения.

Данный способ также имеет некоторые недостатки:

• — возникновение опасности опорожнения канала в его головной части с потерей командования в случае нарушения плана водорользования и дефицита воды в источнике орошения;
• — увеличение объема строительных работ по мере увеличения уклонов канала, т.к. при малых транзитных расходах старший канал имеет максимальное наполнение, и кривые свободной поверхности воды в бьефах близки к горизонтальному положению;
• — гребни бровок канала и дамб должны быть горизонтальными на протяжении каждого бьефа;
• — необходимость в установке автоматических водосбросных сооружений для предотвращения перелива воды через бровки канала и в случае аварии [6].
• 3. С перетекающими объемами (рисунок 1).

При регулировании воды с перетекающими объемами главным достоинством является сокращение времени передачи возмущений от сооружения к сооружению, в результате уменьшаются регулирующие объемы, следовательно, уменьшаются глубины каналов и их строительная стоимость [8].

водораспределение агропромышленный орошение.

1 — регулятор уровня воды; 2 — датчик уровня воды в начале бьефа; 3 — перетекающий объем; 4 — свободная поверхность воды при Q_расч; 5 — свободная поверхность воды при Q0; 6 — объем регулирования; 7 — водовыпуск; 8 — датчик уровня в конце бьефа; х — расстояние до пересечения кривых свободной поверхности; L — длина бьефа, м Схема автоматического регулирования с перетекающими объемами Уровни воды в бьефах колеблются между свободной поверхностью (при максимальном расходе) и горизонтальной (при Q0). Водопотребителей размещают во второй части бьефов в пределах распространения регулирующих объемов [8].

К недостаткам данного способа относят:

• — размещение водовыпусков в основном во второй части бьефов;
• — возможность возникновения технологических сбросов;
• — повышенная сложность и стоимость автоматических перегораживающих сооружений и др.

Процессы управления водозабором и водораспределением предполагают непрерывный обмен информацией между объектами ОС и центральным диспетчерским пунктом (ЦДП). Поток информации, передаваемый на ЦДП, характеризует текущее состояние объектов, обратный поток информации содержит команды управления технологическими процессами на объектах ОС. Таким образом, имеет место неразрывная функциональная, техническая и организационная взаимосвязь систем управления и информационного обеспечения водопользования.

В условиях высокодинамического водопотребления, характерного для объектов с поливом дождеванием, и экономических перемен, связанных с введением платы за подачу воды, существующие методы централизованного водораспределения не способны обеспечить рациональное водопользование, так как с позиции экономного водопользования они неуправляемы. Существующие рекомендации по эксплуатации и проектированию допускают расчленение сложной разветвлённой оросительной сети на отдельные подзадачи, увязка которых в единую сеть производится только для условий стационарного установившегося режима работы объекта [9].

Распределение стока воды во времени характеризуется неравномерностью во всех звеньях мелиоративной сети. Возникающие гидравлические переходные процессы непосредственно связаны с многократной и частой сменой режимов работы насосных станций, гидротехнических сооружений. Последствия, вызванные волновыми процессами, связаны не только с потерями воды, но и с угрозой перелива воды через дамбы каналов, созданием непредвиденных аварийных ситуаций [9]. Таким образом, неустановившийся режим течения воды оказывает негативное влияние на качество водораспределения.

Исследование свойств неустановившихся течений в открытых потоках, вопросы водораспределения в оросительных каналах и влияние неустановившегося режима течения воды на качество водораспределения детально описаны в работе А. А. Ткачева [9].

Устойчивое функционирование каналов, обеспечивающих как доставку орошаемой воды, так и ее отток в достаточной мере свидетельствует об эффективности использования орошаемых земель. Эти предпосылки позволяют сделать попытку систематизации факторов, влияющих на состояние каналов, а именно, установить основные функциональные характеристики каналов в совокупности с природно-климатическими, инженерно-морфологическими и экономическими показателями, влияющими на водопропуск. Правильная систематизация факторов и выбор критерия эффективности функционирования ОС связаны с конкретным представлением конечного результата их деятельности, которая состоит в повышении продуктивности единицы площади орошаемого земледелия [10]. Следовательно, показатели эффективности ОС должны быть взаимосвязаны с показателями эффективности сельскохозяйственного производства. При этом следует учитывать, что система показателей водного и сельского хозяйства имеет свои специфические технико-экономические показатели, характеризующие особенности отрасли.

В условиях орошаемого земледелия вообще, и в эксплуатации оросительных систем, в частности, понятие эффективности приобретает своё полное значение, когда производственные затраты соизмеряются с полученным от них эффектом.

Список используемой литературы

• 1. Водный кодекс Российской Федерации от 3 июня 2006 г. № 74-ФЗ (принят Государственной Думой 12 апреля 2006 г.) [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.consultant.ru/popular/waternew.
• 2. Мелиоративные системы и сооружения: СП 81.13 330.2012. Актуализированная редакция СНиП 3.07.03−85. — Введ. 1986;07−01. — М., 1986. — 23 с.
• 3. Бочкарев, Я. В. Локальные системы стабилизации водоподачи на оросительных системах / В. Я. Бочкарев, О. В. Атаманова. — Бишкек: Кыргызская аграрная академия, 1977. — 75 с.
• 4. Коржов, В. И. Совершенствование технологических приемов и средств управления водораспределением в открытых оросительных системах: автореф. дис… канд. техн. наук: 06.01.02 / Коржов Виктор Иванович. — Новочеркасск, 1994. — 20 с.
• 5. Щедрин, В. Н. Совершенствование технологии управления водораспределением на открытых оросительных системах / В. Н. Щедрин, В. И. Коржов. — М.: ЦНТИ «Мелиоводинформ», 1995. — 80 с.
• 6. Ольгаренко, В. И. Временные рекомендации по составлению и реализации планов водопользования на оросительных системах Ростовской области / В. И. Ольгаренко, И. В. Ольгаренко, Г. В. Ольгаренко [и др.]: утв. НТС Управление «Ростовмелиоводхоз» 21.06.2009. — Коломна, 2009. — 104 с.
• 7. Ольгаренко, В. И. Эксплуатация и мониторинг мелиоративных систем. / В. И. Ольгаренко, Г. В. Ольгаренко, В. Н. Рыбкин. — Коломна, 2006. — 391 с.
• 8. Чураев, А. А. Управление процессами водораспределения на оросительных системах (научный обзор) / А. А. Чураев, Л. В. Юченко, М. В. Вайнберг и др. // ФГБНУ «РосНИИПМ». — Новочеркасск, 2014. — 52 с.
• 9. Ткачев, А. А. Развитие методологии расчета параметров неустановившегося течения воды при водораспределении в каналах оросительных систем: автореф. дис. … докт. тех. наук: 05.23.16, 06.01.02 // Ткачев Александр Александрович. — Новочеркасск., 2011. — 46 с.
• 10. Кизяев, Б. М. Водопользование и водоучет на водохозяйственных и мелиоративных системах агропромышленного комплекса страны / Б. М. Кизяев, А. Е. Погодаев, Е. Г. Филиппов. — М.: ВНИИА, 2004. — 129 с.