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

В качестве переменных факторов были приняты: h₁- слой воды на рисовом чеке от всходов до кущения, см; h₂ - слой воды в период кущения, см; h₃ - слой воды от кущения до восковой спелости, см. условия кодирования и пределы варьирования переменных представлены в таблице 1.

Таблица 1

Условия кодирования и пределы варьирования переменных

Задачей натурных исследований явилось определение гидравлических характеристик каналов в различных условиях эксплуатации. Измерения расхода в каналах оросительной сети выполнялись методом скорость-площадь. В качестве показателя работы канала рассчитывались коэффициенты шероховатости русла, гидравлических сопротивлений, показатели снижения пропускной способности и технического состояния каналов.

В третьей главе приводятся результаты анализа температурного режима междуречья Кубань-Протока, результаты исследований технического уровня рисовых мелиоративных систем.

Статистическая обработка рядов метеорологических параметров в целом и по периодам показала, что коэффициенты вариаций значений температур воздуха колеблются в пределах 0,7-2,1% и осадков 36% и более. Полученные значения отражают несущественные отклонения температуры воздуха от среднемноголетних значений и значительный разброс количества осадков.

Анализ изменений средних, размаха, асимметрии и эксцесса ряда и его периодов показывает, что тепловой режим на исследованной территории становится более благоприятным для развития рисоводства.

Отмечается постепенное повышение среднего и максимального значений температуры воздуха в разные фазы вегетации риса. Повышаются минимальные значения в конце срока вегетации, причем достаточно быстрыми темпами. При этом отмечается уменьшение температуры воздуха в апреле и первой декаде мая.

Для изучения динамики тренда температур воздуха исходный ряд был разбит на десятилетние периоды и построен линейный тренд (рис. 2).

Рисунок 2 Динамика тренда среднегодовой температуры

Динамика тренда по участкам ряда говорит об устойчивом характере повышения среднегодовой температуры. Применив методику фрактального анализа, получили показатель Херста для этого ряда Н=0,72, что показывает, что ряд является устойчиво персистентным. Анализ изменения угла наклона прямых тренда (рисунок 2) и значения показателей Херста Н (рисунок 3) по периодам, показывает, что на протяжении всего ряда наблюдений, отмечается с разной скоростью, но постоянное увеличение среднегодовой температуры. Показатель Херста на исследуемом интервале увеличивался от 0,79 до 0,88 и от 0,69 до 0,87, а за последнее десятилетие уменьшился до 0,51, оставаясь персистентным во все периоды.

Рисунок 3 Динамика показателя Херста по периодам ряда среднегодовой температуры воздуха

Используя данные анализа, полученные с помощью трендового и фрактального подходов, можно сделать вывод, что в регионе наблюдается устойчивое повышение среднегодовых температур, при уменьшении персистентности.

Полученные данные о динамике точек смены R/S траектории подтверждают факт циклической природы температурных рядов и определяют границы циклов в составе ряда.

Предварительный частотный анализ модели динамики температур воздуха выполнен по автокорреляционной функции, значения которой на лагах 6, 27 и 32 имеют значительные выбросы, что предполагает наличие сезонной составляющей. В результаты проведенного спектрального анализа временного ряда выявлено шесть наивысших пиков. Определены частотные характеристики среднемесячных температур воздуха вегетационного периода.

На основании анализа остатков проведена оценка адекватности построенного прогноза. Модель с а = 0,3 (рисунок 4) адекватна описываемому процессу, так как значения остаточной величины удовлетворяют свойствам случайности, независимости и в большей степени подчиняются нормальному закону распределения.

Рисунок 4 Прогноз динамики среднемесячных температур мая

Значения коэффициентов ряда Фурье, характеризующие динамику температурного режима месяцев вегетационного периода риса, представлены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты, характеризующие динамику климатических параметров

По данным таблицы 2 построены модели температуры вегетационного периода риса по месяцам и их прогноз.

В результате математической обработки экспериментальных данных по исследованиям влияния слоя воды на развитие растений риса получили уравнение регрессии (3) для водопотребления риса за период вегетации:

Y_h=590,65+42,3x₁+24,97x₃-35,12x₁x₂-28,92x₁x₃-45x₁²+31,17x₂²+38,42x₃²,

при -1? х ? 1. (3)

Значимость коэффициентов уравнения регрессии проверялось по критерию Стьюдента, а само уравнение - по критерию Фишера.

Поверхности откликов изучались с помощью двумерных сечений, в результате минимальное водопотребление риса отмечено при h₁ =10 cм, h₂ = h₃ = 5 см.

Вторым откликом в матрице планирования эксперимента является урожайность риса. В результате математической обработки экспериментальных данных получили уравнение регрессии:

Y_y=751,33-32,02x₂-20,02x₁x₃+29x₂x₃-39,85x₁²-92,02x₂²-19x₃³,

при -1? х ? 1.(4)

Анализ двумерных сечений показал, что максимальная урожайность риса отмечается при h₁= h₂ = h₃ =10 см.

В качестве одного из откликов при планировании эксперимента нами принят коэффициент кустистости, который характеризует плотность стеблестоя и определяется как отношение количества стеблей к количеству растений на контрольной площади.

Уравнение регрессии имеет вид:

К_куст=1,83-0,43x₂-0,0314x₃+0,062x₂x₃-0,172x₂², при -1? х ? 1.(5)

Наибольший коэффициент кустистости наблюдается в центре плана при h₁=h₂=h₃= 10 см.

Оценка гидравлических показателей работы каналов рисовых мелиоративных систем выполнена сравнением значений коэффициентов допустимого снижения нормативных показателей пропускной способностиб₀, КПД в₀, технического состояния канала у₀, с данными действующих оросительных каналов.

Для статистической оценки значений коэффициента допустимого снижения пропускной способности б₀ определен показатель снижения пропускной способности канала по отношению к проектному расходу

a'=Q/Q_np, или а'=п_пр/п, (6)

Q -измеренный расход в канале за характерный период; Q_np- проектный (расчетный) расход); п_пр - коэффициент шероховатости по проекту; п- коэффициент шероховатости русла, определенный по результатам исследований при расходе Q.

В результате статистической обработки результатов натурных исследований определен коэффициент допустимого снижения пропускной способности каналов внутрихозяйственной сети рисовой системы

следовательно,? 0,77, тогда каналы с а' < 0,77 нуждаются в проведении мероприятий по уменьшению коэффициентов шероховатости русла.

Среднее значение КПД для межхозяйственных каналов в земляном русле составляет з=0,834, среднеквадратическое отклонение у=0,075. Доверительный интервал варьирования КПД каналов межхозяйственного звена составил 0,818-0,851, а показатель допустимого его снижения в₀= t_a,_kу_з =0,033 или 3,3%.

Подобная статистическая обработка натурных данных была проведена по показателю технического состояния каналов Р_э = з/з_тр.

Среднее значение показателя технического состояния каналов Р_э =0,927. Коэффициент допустимого снижения показателя Р_э составляет 0,021.

Натурные исследования по определению работоспособности оросителей проводились в 2011и 2012 годах на рисовой системе агрофирмы «Полтавская», представленной картами Кубанского типа.

Для определения коэффициента шероховатости п и коэффициента гидравлических сопротивлений л русел оросителей проводились замеры расходов воды в оросителе, параметров поперечного сечения и уклона свободной поверхности. Расходы воды в оросителе изменялись регулирующим сооружением в голове оросителя, измерялись треугольными водосливами, установленными на водовыпусках из оросителя в рисовые чеки, уклоны свободной поверхности - нивелированием (таблица 3).

Наряду со значительным увеличением коэффициента сопротивлений оросителей за счет зарастания водной растительностью отмечены деформации русел, что требует выполнения большого объема работ по очистке и восстановлению проектных параметров оросителей.

Таблица 3

Результаты гидравлических исследований

Слой воды на рисовом чеке, при прочих равных условиях, оказывает существенное влияние на густоту роста растений и процент выживаемости их к уборке. Плотность стеблестоя риса по экспериментальным данным описывается зависимостью п=-13,20+92,46h-6,680h²+0,1336h³, шт/м²с коэффициентом детерминации R²=0,813. По результатам экспериментальных исследований рекомендуется режим постоянного затопления чеков слоем 10 см.

Четвертая глава посвящена анализу эффективности водопользования, оценке качества планирования и разработке рекомендаций по совершенствованию планирования на основе применения компьютерных технологий.

Анализ данных по использованию воды на оросительных системах Нижней Кубани показывает, что водозабор и водоподача с разной скоростью, но постоянно из года в год увеличиваются (рисунок 5).

Рисунок 5 Динамика удельного забора и подачи воды

Поскольку водозабор увеличивается более интенсивно, чем водоподача, КПД системы постоянно уменьшается от 0.84 в 1970 году до 0,71 в 1990 году.

В последние годы на рисовых системах Нижней Кубани наметился рост площадей, занятых рисом, урожайность повысилась с 59,2 ц/га в 2008 году до 69,9 в 2011 году, намолот риса превысил 900 тыс. тонн. Стабилизировался водозабор из Кубани и ежегодно составляет в среднем 3263 млн. м³, постоянно растут объемы повторно используемых вод, подачи воды на рис, отведения дренажно-сбросных вод.

Результаты обработки плановых и фактических показателей водозаборов и водоподачи по филиалам управления «Кубаньмелиоводхоз» говорят об эффективной системе планирования водопользования и реализации планов (R=0,89 ч1,0). Однако при анализе ситуации отмечено, что оросительная норма постоянно увеличивается, техническое состояние систем ухудшается, объемы забора воды увеличиваются.

Поэтому, требуется усовершенствование методов планирования водопользования с учетом конкретных почвенно-климатических условий с применением компьютерных технологий. Нами разработаны алгоритм и программа «Расчет плана водопользования на рисовых оросительных системах», основной задачей, которой является формирование плана водопользования рисовой системы на основе расчета режима орошения риса и расходов в распределительных каналах рисовой системы с учетом агроклиматических, почвенно-гидрогеологических факторов. При работе с программой, наряду с планированием водопользования на оросительный период, имеется возможность анализа различных сценариев изменения ситуации на системе и введения корректировки принятых планов. Результатом работы программы является сводная ведомость по расходам оросительной воды для каждого водовыдела.