Оптимальное управление режимом грунтовых вод на основе инвариантной нестационарной математической модели польдерных систем

Решение задач трехмерного моделирования польдерных мелиоративных систем и оптимального управления режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы осушаемых земель. Интегральная нестационарная математическая модель, описывающая режим грунтовых вод.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 15.02.2018
Размер файла 459,5 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Рис. 11. Варьирования потоков влаги в зону аэрации Ui,j для трех значений высот корнеобитаемого слоя почвы h0= 5 cм, h10= 14 cм, hN= 50 cм и уровней грунтовых вод Н 0=20 см, Н 10 = 28 см, НN = 60 cм

Необходимо отметить, что при постоянном значении уровня грунтовых вод Н и подпитывающего потока влаги Umax, значения капиллярного потенциала F со временем возрастают.

Рис. 12. Рассчитанные зависимости оптимальных значений капиллярного потенциала F и потоков влаги U от высоты z для трех моментов времени

Функция капиллярного потенциала F от высоты z носит ярко выраженную экспоненциальную зависимость.

Расчет потока влаги от УГВ с учетом испарения, транспирации и выпадающих осадков. Испарение зависит в основном от метеорологических условий, солнечной радиации, условий водного режима и водно-физических свойств почвы. А транспирация корневой системой растений почвенной влаги определяется их биологическими свойствами, обусловленными взаимодействием среды, метеорологических условий, почвы и агротехники.

Метод теплового баланса основан на расчете испарения по затратам энергии на этот процесс. Зная все составляющие теплового баланса испарения водяного пара у поверхности почвы, величину испарения можно получить по его остаточному члену. Уравнение теплового баланса процесса испарения водяного пара имеет вид:

, (54)

где Qпоч - поток тепла в почву; L - скрытая теплота испарения; E - испарение; Р - турбулентный отток тепла в атмосферу; Rб - радиационный баланс поверхности почвы.

На рис. 13 приведены расчеты пространственно-сезонные зависимостей капиллярного потенциала влаги F (а и c) и его потока U (b и d) учитывались процессы сезонной транспирации G.

Рис. 13. Пространственно-сезонные зависимости капиллярного потенциала влаги F (а и c) и его потока U (b и d), поверхностное испарения Е и транспирация G задается в виде сезонных зависимостей (e, f)

Следует отметить, что учет процесса сезонной транспирации G приводит к уменьшению значений капиллярного потенциала влаги F практически в 1.8 раза (см. рис. 13 а, е). В это же время, временные зависимости капиллярного потенциала влаги F и его потока U имеют изрезанный характер, повторяющий сезонный ход транспирации G (рис. 13 с и d). Влияние процесса испарения Е на пространственно-сезонные зависимости капиллярного потенциала влаги F (а и c) и его потока U (b и d), сказывается значительно слабее, чем процесса транспирация G. Увеличение капиллярного потенциала влаги F со временем определяется только грунтовыми водами, при этом пространственное распределение потока влаги U имеет ярко выраженную убывающую к поверхности почвы линейную зависимость

Приведенные численные результаты свидетельствуют об эффективности и работоспособности алгоритма расчета сезонных потоков влаги от грунтовых вод с учетом испарения с поверхности почвы, транспирации растений и выпадающих осадков.

В седьмой главе приведены результаты по расчету оптимальных значений параметров при проектирование совершенных конструкций ПС и эксплуатации уже существующих, таких как: производительность насосной станции, диаметр и глубина закладки дрен, междренное расстояние и некоторых других, свидетельствуют о применимости ИТНММ ПС и управления РУКС почвы ОМ при проектировании совершенных ПС и эксплуатации уже существующих.

В качестве примера расчета оптимальных значений варьируемых параметров совершенных конструкций ПС в процессе управления уровнем грунтовых вод УГВ > Нор в осушаемых массивах, моделировалась польдерная система, состоящая из проводящего канала, длиной 200 м (число пространственных узлов вдоль оси х составляло Nх = 10) и прилегающего к нему осушаемого массива шириной 200 м (Ny = 10, длина ОМ соответствовала длине проводящего канала, шаг интегрирования по времени составлял ф=300 с).

Стратегия оптимального управления уровнем грунтовых вод, обеспечивающая энергосбережение и эффективность вегетации растений мелиорированных земель сводится к следующему: ИС УГВ > max, BC УГВ > min и РР УГВ > min, при t > min и учетом технологических ограничений.

Рис. 14. Временная разверстка уровней воды в канале (сплошная кривая) и в осушаемом массиве для трех значений: у 1=20м, у 5=100м, у 10=200м (а) и режим работы насосной станции (b)

На рис. 14 приведена временная разверстка процесса управления уровневым режимом грунтовых вод (a) и насосной станции (b), здесь и далее время в час. Отметим, что процесс управления уровневым режимом грунтовых вод УГВ > Нор длительностью 1.25 ч, обеспечивает приведения уровней грунтовых вод по всему осушаемому массиву и воды в канале к заданному значению отметки УГВ в 2.8 м (см. рис. 14 а). При этом в первые двадцать минут насосная станция, как это следует из рис. 14 (b), обеспечивает максимально возможную производительность откачки воды из проводящего канала, равную QH = 0.4 м 3(контуром управления является осушаемый массив т.к. все критерии качества ПС связанны с УГВ ОМ, а не проводящим каналом), что приводит к резкому спаду уровня воды в канале, соответственно и к спаду и выравниванию УГВ в ОМ. За тем, в ходе управления уровнем грунтовых вод УГВ > Нор на заданную отметку, составляющую 2.8 м, насосная станция выключалась и кривые спада УГВ сближались с отметке в 2.8 м. Максимально возможная производительность откачки воды из проводящего канала, равная QH = 0.4 м 3 определяется стратегией оптимального управления УГВ УГВ > Нор, для которой интенсивность снижения уровня грунтовых вод R (8) стремится к максимуму, а уровень воды в проводящем канале постоянно пополняется стоком воды из ОМ.

Из результатов по управлению уровнем грунтовых вод УГВ > Нор, действующих польдерных систем в штатных и нештатных ситуациях следует, что поставленные цели стратегией управления уровнем грунтовых вод УГВ соответствующие управлению режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы - поток влаги U > Umax выполнены в полном объеме и с высокой точностью (за минимальное время управление УГВ устанавливается заданное значение уровня Нор, при его равномерном распределение по всему ОМ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненный анализ современного состояния теории и практики актуальной задачи - повышения плодородия мелиорированных земель сделал возможным сформулировать цели и задачи научных исследований создания научно-обоснованной интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС, обеспечивающей моделирование уровневого режима грунтовых вод и на основе управления им рассчитывать оптимальный режим увлажнения корнеобитаемого слоя почвы по схеме - УГВ > Нор - U > Umax, при t > min в области допустимых значений технологических параметров.

2. Впервые поставлена и разработана научно-обоснованная интегральная трехмерная нестационарная математическая модель ПС управления режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы мелиорированных земель, основанная на применении единой методологии моделирования ПС и оптимального управления режимом грунтовых вод, учитывающая взаимодействие между сетью проводящих открытых каналов и осушаемых массивах, позволяющая сократить время на решение конкретных задач максимально возможного увеличения плодородия переувлажненных земель для каждого вида сельскохозяйственных культур. При этом проводится декомпозиция исходной постановки задачи моделирования ПС на подзадачи с последующим синтезом системы разрешающих дифференциальных уравнений, осуществляемым на ребрах направленного графа, с заданием граничных условий в вершинах графа.

3. Созданы алгоритмы и программное обеспечение численного решения разрешающей системы дифференциальных уравнений Сен-Венана, описывающих динамику воды в СПОК, для которого автоматически выполняются законы сохранения потоков воды в точках ветвления проводящих каналов; реализация алгоритмов расчета СПОК и реальных польдерных систем, в том числе с учетом рельефа местности.

4. Впервые поставлены и решены задачи моделирования: динамики УГВ и управления РУКС почвы ПС, основанные на двухмерном уравнении Буссинеска, дифференциальном уравнении переноса воды в дренажных трубах и трехмерном уравнении переноса капиллярного потенциала влаги, при задании естественных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы; потоков влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения, транспирации растений и выпадающих атмосферных осадков, основанных на численном решении дифференциальных уравнений капиллярного потенциала и теплового баланса почвогрунтовой системы; сезонных потоков влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения и транспирации влаги.

5. Впервые создан алгоритм расчета оптимальной вегетации сельскохозяйственных культур; формирование целевой функции для потока влаги U(Н, h) и функциональных ограничения параметров, дестабилизирующих вегетацию растений; построена стратегия управления РУКС; алгоритм расчета реальных польдерных систем, основанного на преобразовании параметров ПС, вычисленных в локальных системах координат, связанных с проводящими каналами, в общую систему координат ПС.

6. Представлены результаты разработки алгоритмов повышенного порядка точности, численного решения дифференциальных уравнений необходимых для тестирования и выверки применимости экономичных разностных схем первого порядка точности, при проведении оптимизационных расчетов;

7. Практическое значение результатов работы определяется тем, что они нашли применение в комплексной мелиорации заболоченных и переувлажненных земель, без которой не могут быть решены вопросы продовольственной безопасности страны и направлены на повышения плодородия земель сельскохозяйственного назначения.

8. Научная и производственная значимость настоящей работы подтверждены опытно-промышленными результатами эксплуатации польдерных систем, положительными отзывами при апробации результатов монографии.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Структура дневных потоков ионов в задаче с верхней границей. Всесоюзная конференция по физике ионосферы. Тезисы докладов, часть II, М., 1976, с. 34.

2. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Высотная структура скоростей и потоков ионов с учетом силы инерции и связанные с ней особенности численного решения моделирующих уравнений: Сб. науч. трудов "Диагностика и моделирование ионосферных возмущений", 1978. - М.: Наука, с. 23-32.

3. Латышев К.С., Бобарыкин Н.Д., Медведев В.В. Разностные методы решения системы одномерных газодинамических уравнений в задачах моделирования ионосферы //Ионосферные исследования. -1979. -№28. - М.: Сов. Радио, с. 37-49.

4. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Особенности построения численных алгоритмов в задачах ионосферного моделирования. Тезисы докладов V-го Междуведомственного семинара по моделированию ионосферы, Тбилиси, 1980, с. 6.

5. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С., Осипов Н.К. Нестационарный полярный ветер - причины и следствия //Геомагнетизм и аэрономия. -1981. -Т. 21. - №4. - С. 698-703.

6. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Расчет ионосферных параметров вдоль геомагнитной силовой линии с учетом инерционных членов. Сб. "Результаты обработки геофизических данных в МЦД Б-2", 1982. - М., Мировой центр данных АН СССР, с. 23-33.

7. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. О роли вертикальных переносов в формировании плазмопаузы на больших высотах. Сб. "Результаты обработки геофизических данных в МЦД Б-2", 1982. - М., Мировой центр данных АН СССР, с. 54-62.

8. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С., Осипов Н.К. Температурный режим и характерные времена нестационарности полярного ветра //Геомагнетизм и аэрономия. -1984. - №4,- С. 23-30.

9. Бобарыкин Н.Д. Математическое моделирование технологических процессов в тренажерах установок газоперерабатывающих предприятий на базе персональных компьютеров. Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата тех. наук - 05.13.16, М., МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1991, с. 20.

10. Бобарыкин Н.Д., Бобарыкина Е.Н. Инвариантный метод расчета кинематических характеристик механизмов на ПЭВМ: Сб. науч. трудов КГТУ. -1998. - С. 41-43.

11. Бобарыкин Н.Д., Рябой В.Е. О применении метода комплексного математического моделирования динамики уровневого режима польдерных систем в процессе изучения сельскохозяйственных дисциплин: Сб. науч. трудов КГТУ. -1998. - с. 38-40.

12. Бобарыкин Н.Д. Состав и структура инвариантной нестационарной математической модели польдерных систем, включая алгоритмы оптимального управления режимом грунтовых вод осушаемого массива: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 4-18.

13. Бобарыкин Н.Д. Расчет влагообмена с грунтовыми водами на основе дифференциального уравнения для капиллярного потенциала: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 19-30.

14. Бобарыкин Н.Д. Расчет уровневого и скоростного режимов движения воды в каналах польдерных систем на основе решения дифференциальных уравнений Сен-Венана: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 31-41.

15. Бобарыкин Н.Д. Расчетов уровневого режима грунтовых вод осушаемого массива, примыкающего к проводящему каналу на основе решения двумерного дифференциального уравнения Буссинеска: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 42-45.

16. Бобарыкин Н.Д. Расчет уровневого режима грунтовых вод осушаемого массива с учетом дренажа в области сопряжения проводящей сети с осушаемым массивом: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 46-52.

17. Бобарыкин Н.Д. Оптимальное управление водным режимом осушаемого массива и выбор вектора целевых функций и ограничений для польдерных систем: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 53-60.

18. Бобарыкин Н.Д. Оптимальное управление режимом грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 61-65.

19. Рябой В.Е., Бобарыкин Н.Д. Структура, состав и основные задачи гидрологических расчетов польдерных систем: Сб. науч. трудов КГТУ "Математическое моделирование и численные методы решения интегрально-дифференциальных уравнений", 2003, с. 91-105.

20. Бобарыкин Н.Д. Оптимальное управление режимом грунтовых вод на основе инвариантной нестационарной математической модели польдерных систем (монография, научное издание). - Калининград: КГТУ, 2004. -168 с.

21. Бобарыкин Н.Д., Орлов С.В. Математическое обоснование оптимальных методов стабилизации позвоночника при травме. Материалы международного симпозиума "Новые технологии в нейрохирургии", Санкт-Петербург, ВМА, 2004, с. 232-234.

22. Бобарыкин Н.Д. Моделирование польдерных систем на основе алгоритма оптимального управления водным режимом осушаемого массива // Мелиорация и водное хозяйство. -2005. № 3, с. 30-32.

23. Бобарыкин Н.Д. Математическая модель польдерных систем и оптимальное управление уровнем грунтовых вод. //Математическое моделирование. РАН. -2005, т. 17, № 7, с. 3-10.

24. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Моделирование движения воды в проводящих каналов польдерных систем. //Математическое моделирование. РАН. -2005, т. 17, № 9, с. 27-34.

25. Бобарыкин Н.Д. Эксплуатация польдерных систем в режиме оптимального управления уровнем грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков. //Мелиорация и водное хозяйство. -2005. № 5, с. 58-64.

26. Бобарыкин Н.Д., Смертин В.М. Математическое моделирование сложных инженерно-технических систем. Тезисы докладов Международной научной конференции, приуроченной к 200-летию со дня рождения великого немецкого математика Карла Густава Якоби и 750-летию со дня основания г. Калининграда, г. Калининград, КГУ, 2005, с. 187-189.

27. Бобарыкин Н.Д., Смертин В.М., Графова Е.Н. Основные задачи численных расчетов оптимизации польдерных систем. Труды конференции "Инновации в науке и образовании - 2005", Калининград, КГТУ, 2005, часть I, с. 197-198.

28. Бобарыкин Н.Д., Смертин В.М., Графова Е.Н., Латышев К.С., Орлов С.В. Математическое моделирование на ПЭВМ. Методические указания. - Калининград: КГТУ, 2005. -75 с.

29. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С., Смертин В.М., Графова Е.Н. Управление оптимальным режимом увлажнения корнеобитаемого слоя //Известие КГТУ, 2005, Калининград, №8, с. 102-110.

30. Орлов С.В., Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Математическая модель стабильности трехпозвонкового комплекса //Математическое моделирование. РАН. -2006, т. 18, № 10, с. 55-70.

31. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Расчет потока влаги от грунтовых вод с учетом суммарного испарения, транспирации и выпадающих осадков. Сб. науч. трудов КГТУ "Автоматизация технологических процессов", 2006, с. 21-39.

32. Латышев К.С., Орлов С. В., Бобарыкин Н.Д., Иванов А.А., Кожуров И.М. Математическая модель нестабильности позвоночника при углообразной деформации позвонков //Вестник РГУ им. Канта. -2006. Вып. 10. Физико-математические науки. С. 54-58.

33. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Стратегия оптимального управления режимом увлажнения корнеобитаемого слоя //Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. -2006. № 44. Серия "Прикладная информатика". С. 79-88.

34. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Математическое моделирование сезонных потоков влаги от грунтовых вод. //Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. -2006. № 44. Серия "Прикладная информатика". С. 59-69.

35. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Моделирование параметров сети проводящих каналов реальных польдерных систем //Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. -2006. № 44. Серия "Прикладная информатика". С. 11-20.

36. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н. Расчет параметров проводящих каналов польдерных систем с учетом рельефа местности //Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. -2006. № 44. Серия "Прикладная информатика". С. 44-52.

37. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Повышения порядка точности аппроксимации гиперболических уравнений и численные методы их решения //Вестник Московской академии рынка труда и информационных технологий. -2006. № 44. Серия "Прикладная информатика". С. 28-36.

38. Бобарыкин Н.Д., Латышев К.С. Оптимальное управление уровнем грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков //Инженерно-физический журнал. Минск. -2007, т. 80, №2, с. 149-152.

39. Бобарыкин Н.Д. Моделирование процесса влагообмена в зоне аэрации на основе капиллярного потенциала //Инженерно-физический журнал. Минск. -2007, т.80, №3, с. 97-102.

40. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н. Расчет параметров сети проводящих каналов польдерных систем //Известие КГТУ, 2007, Калининград, № 12, с. 175-183.

41. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Расчет сезонного хода потока влаги от грунтовых вод //Известие КГТУ, 2007, Калининград, № 12, с. 184-189.

42. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Моделирование уровня грунтовых вод реальных польдерных систем //Математическое моделирование. РАН. -2007, т. 19.

43. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Расчет уровневого режима грунтовых вод в осушаемых массивах польдерных систем с учетом дренажа //Математическое моделирование. РАН. -2007, т. 19.

44. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Латышев К.С. Численные расчеты оптимального режима увлажнения корнеобитаемого слоя почвы от поверхности грунтовых вод //Математическое моделирование. РАН. -2007, т. 19.

45. Бобарыкин Н.Д., Графова Е.Н., Смертин В.М., Латышев К.С. Об использовании разностных схем первого порядка точности, аппроксимирующих дифференциальные уравнения в задачах моделирование польдерных систем. Тезисы докладов международной научной конференции: "Российская наука и инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития", г. Калининград, КГТУ, 2007, с. 51-52.

46. Бобарыкин Н.Д. Математическое моделирование и управление режимом увлажнения корнеобитаемого слоя почвы от поверхности грунтовых вод. Тезисы докладов международной научной конференции: "Российская наука и инженерная деятельность в социокультурном пространстве эксклавного региона: история, актуальные проблемы, перспективы развития", г. Калининград, КГТУ, 2007, с. 18-19.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.