Автореферат: Повышение эффективности эксплуатации рисовых мелиоративных систем за счет рационального использования водных ресурсов

Повышение эффективности эксплуатации рисовых мелиоративных систем за счет рационального использования водных ресурсов

Специальность 06.01.02 - Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Свистунов Алексей Юрьевич

Новочеркасск 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Новочеркасская государственная мелиоративная академия»

Научный руководитель: Ольгаренко Игорь Владимирович кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Попов Вячеслав Алексеевич доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник ГНУ ВНИИ риса РАСХН

Пахомов Александр Алексеевич кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет», доцент кафедры сельскохозяйственного водоснабжения и гидравлики

Ведущая организация: ФГБНУ Российский научно-исследовательский институт проблем мелиорации (РосНИИПМ)

Защита диссертации состоится 21июня 2013 года в 13 ч 15 мин. на заседании диссертационного совета Д220.008.02 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет» по адресу: 400002, г. Волгоград, пр-т Университетский, 26, зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный аграрный университет».

Автореферат разослан «20» мая 2013 года и размещен на официальных интернет-сайтах ВАК РФ и Волгоградского ГАУ.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ряднов Алексей Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Анализ научно-производственной деятельности в области рисосеяния показывает, что потенциальные возможности культуры используются далеко не полностью. Недобор урожая риса происходит из-за ряда организационных, технологических, технических недостатков. Задачами эксплуатационных водохозяйственных организаций разного уровня являются рационализация водопользования на основе повышения технического уровня оросительных систем, совершенствование управления водопользованием за счет применения водосберегающих и экологически безопасных технологий и оптимальных режимов эксплуатации рисовых систем. Рисосеяние в условиях все возрастающего дефицита оросительной воды должно развиваться на основе разработки и внедрения методов рационального использования водных ресурсов с учетом повторного их использования, а также рациональной стратегии водопользования с целью увеличения водообеспеченности систем и их экологического баланса.

Степень разработанности темы. Интенсификация рисоводства в последнее время сопровождается развитием негативных процессов, ведущих к деградации рисовых агроландшафтов. Исследования, в первую очередь, базировались на научных и практических результатах видных ученых в области рисоводства, эксплуатации рисовых систем, автоматизации водораспределения и системного анализа: Е.Б. Величко, Б.Б. Шумакова, И.П. Кружилина, Е.В. Кузнецова, В.Г. Гриня, В.И. Ольгаренко, С.А. Владимирова, Л.М. Рекса, В.Н. Щедрина и других, в которых подчеркивается, что имеющиеся недостатки могут быть устранены за счет совершенствования имеющихся инженерно-технических комплексов, системы водопользования и управления рисовыми системами. Следовательно, проведение научно-исследовательских работ, направленных на разработку технологии возделывания риса с учетом особенностей культуры, технического состояния внутрихозяйственного звена системы орошения, средств управления водораспределением, планирования водопользованием, является актуальной задачей.

Цель исследования. Повышение эффективности использования оросительной воды во внутрихозяйственном звене рисовых систем на основе совершенствования процесса возделывания риса, обеспечивающего снижение удельного водопотребления и повышения урожайности.

Задачи исследования:

- провести анализ научно-технической информации по эффективности водопользования на рисовых мелиоративных системах Нижней Кубани;

- провести анализ динамики средней температуры воздуха в приземном слое атмосферы на Нижней Кубани в период вегетации риса, оценить соответствие температурного режима территории требованиям культуры; рисосеяние кубань водопотребление урожайность

- разработать модель адаптации производства риса в регионе к изменениям температурного режима;

- изучить влияние слоя затопления чека на водопотребление и урожайность риса;

- установить степень влияния зарастания каналов рисовых систем водной растительностью на их работоспособность;

- разработать систему мероприятий, обеспечивающих повышение эффективности использования оросительной воды в рисосеянии Краснодарского края.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- получена математическая модель, описывающая динамику температурного режима воздуха вегетационного периода риса;

- разработан прогноз динамики временных рядов средней температуры воздуха вегетационного периода риса, позволяющий корректировать сроки выполнения основных технологических операций возделывания риса;

- установлена зависимость влияния различного слоя воды в чеке на развитие риса в условиях его постоянного затопления от всходов до восковой спелости;

-разработан алгоритм и программа планирования водопользования севооборотного участка, которая с учетом агроклиматических, почвенно-гидрогеологических факторов, обеспечивает разработку плана водопользования рисовой системы на основе расчета режима орошения риса и расходов в распределительных каналах рисовой системы;

- разработан комплекс мероприятий по совершенствованию рисовых систем Нижней Кубани, включающий формирование плана водопользования системы, автоматизацию водораспределения севооборотного участка, интенсификацию работ по уходу за элементами внутрихозяйственного звена рисовой системы.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость заключается в научном обосновании процесса совершенствования технологии возделывания риса и методов эксплуатации рисовых систем в условиях изменения климатических параметров территории, ухудшения технического состояния элементов системы. В разработке новых технических решений по рациональному распределению оросительной воды по чекам, а также в новом подходе к влиянию слоя воды в чеке на удельное водопотребление и урожайность риса, в разработке автоматической системы водораспределения севооборотного участка рисовой системы с использованием пропорциональных делителей на водовыпусках из распределителя в оросители и из оросителей в чеки.

Работа выполнена в рамках темы 03.01.01.01 - «Разработка систем и технологий комплекса мелиораций, охраны и управления рациональным использованием земель», которая является составной частью тематического плана НИР НГМА по проблеме 03.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров и аспирантов в НГМА и КубГАУ.

Методология и методы исследования. Методической основой исследования являются системный анализ, методы математической статистики, теории планирования эксперимента, теории автоматического регулирования. Экспериментальные исследования проводились в соответствии с общепринятыми методиками выполнения гидравлических, водно-балансовых опытов, включают натурные обследования элементов рисовых систем, стендовые и опытно-производственные испытания. Аналитическая обработка экспериментальных данных выполнена с применением методов корреляционного, регрессионного и дисперсионного анализов с использованием компьютерных технологий.

Положения, выносимые на защиту:

- эмпирическая зависимость изменения гидрометеорологических параметров Нижней Кубани, характеризующая их цикличность, обеспечивающая повышение точности прогноза;

- алгоритм, процедуры и модель компьютерной технологии оперативного планирования режимов орошения риса, обеспечивающие многовариантность расчетов в режиме реального времени;

- кспериментальная зависимость водопотребления и урожайности риса в зависимости от режима орошения;

- система управления водораспределением севооборотного участка.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность и обоснованность подтверждается использованием фундаментальных положений мелиоративной науки, результатами статистической обработки экспериментальных данных, сходимостью теоретических исследований с практическими результатами опытов, выполненных в производственных условиях.

Основные положения и результаты диссертационных исследований докладывались, были обсуждены и одобрены на региональных научно-технических конференциях НГМА, КубГАУ в 2010-2012 годах, на «Донской аграрной научно-практической конференции», посвященной 75-летию Ростовской области (г. Зерноград, 2012 г.), на трех Международных научно-практических конференциях (Краснодар, КубГАУ, 2010 г., Волгоград, ВолГАУ, 2012, 2013 г), на теоретическом семинаре инженерных факультетов ВолГАУ (2013 г.) и опубликованы в 8 научных работ, из которых три в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, получен патент РФ на полезную модель № 112595. Общий объем публикаций 2,9 п.л, из них личный вклад автора 1,8 п.л.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, достоверность выводов, теоретическая и практическая значимость разработок, новизна научных положений, выносимых на защиту.

В первой главе дан анализ публикаций по прогнозированию климатических параметров, изучены направления адаптации сельскохозяйственных культур к изменениям природной среды. На основе анализа литературных источников рассмотрены основы возделывания риса и элементы технологии. Обозначены нерешенные и слабо изученные вопросы, обоснованы задачи исследований.

Большой вклад в изучение и разработку приемов получения высоких урожаев риса, технологии его возделывания, совершенствование конструкций рисовых систем и автоматизацию водораспределения внесли П.С. Ерыгин, Е.Б. Величко, В.Б. Зайцев, С.В. Кибальников, П.И. Коваленко, В.А. Попов, З.Ф. Тулякова, Б.Б. Шумаков, В.Н. Щедрин и другие ученые.

Повышению точности управления режимами орошения посвящены работы Е.П. Галямина, М.С. Григорова, Н.А. Ивановой, И.Н. Ильинской, А.Н. Костякова, В.П. Остапчика, Г.В. Ольгаренко, А.Ю. Черемисинова, Б.Б. Шумакова, В.Н. Щедрина и других, в которых отмечается необходимость учета изменчивости климатических факторов при планировании орошения.

Сформулированы проблемы водопользования и направления их решения. По мнению И.П. Айдарова, М.С. Григорова, А.В. Колганова, В.И. Ольгаренко, Б.Б. Шумакова, В.Н. Щедрина и других авторов отрицательное влияние на окружающую среду при орошении часто является причиной нерациональной управленческой и хозяйственной деятельностью.

Приведен анализ результатов исследований по вопросам изучения гидравлики процессов в каналах с земляным руслом в работах И.И. Агроскина, B.C. Алтунина, А.Д. Альтшуля, И.А. Долгушева, Н. Дэскулеску, И.Ф. Карасёва, Ю.М. Косиченко, Ц.Е. Мирцхулавы, В.Т. Чоу, P.P. Чугаева, Д.В. Штеренлихта и других.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе сформулирована рабочая гипотеза, программа, методика и условия проведения научных исследований. Схема проведения исследования представлена на рисунке 1.

С целью определения характера изменчивости температурного режима территории, по данным метеостанции Славянска на Кубани проведены исследования климатических рядов статистическим, фрактальным и частотным методами.

Фрактальный анализ выполнен методом изучения размаха температуры воздуха и среднеквадратичного отклонения (метод Херста), одним из преимуществ которого является малая чувствительность к длине ряда.

Частотный анализ основан на дискретном преобразовании Фурье. Задача состоит в определение частоты и периода сезонных колебаний и расчёта параметров периодических функций, описывающих сезонные колебания.

Рисунок 1 Схема проведения исследований

При аналитическом изучении изменений уровней ряда применена формула

y_t = а₀ + ?(а_кcoskt + b_ksinkt). (1)

В формуле (1) k определяет номер гармоники, которая используется с различной степенью точности.

Значения коэффициентов определяются методом наименьших квадратов.

; ; . (2)

При анализе климатического ряда значения t_i принимаются по результатам частотного анализа.

С целью уточнения влияния слоя воды на водопотребление и продуктивность риса реализован трехуровневый план Бокса-Бенкина. Результатом эксперимента является математическая модель, связывающая исследуемые параметры с влияющими на него факторами. Объект исследования - рис сорта Регул.