CC BY
17
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 631.674
ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ТРУБЧАТЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
OPTIMIZATION OF THE MAIN PARAMETERS OF THE TUBULAR IRRIGATION SYSTEMS
А.С. Овчинников, член-корреспондент РАН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.С. Бочарников, доктор технических наук, доцент С.В. Тронев, кандидат технических наук, доцент М.П. Мещеряков, кандидат технических наук, доцент О.В. Бочарникова, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент И.А. Несмиянов, доктор технических наук, доцент Н.С. Воробьева, кандидат технических наук, доцент
А^. Ovchinnikov, V. S. Bocharnikov, S.V. Tronev, M. P. Meshcheryakov, O.V. Bocharnikova, I.A. Nesmiyanov, N.S. Vorob,eva
Волгоградский государственный аграрный университет
Volgograd State Agrarian University
В статье изложены материалы оптимизации конструктивных элементов и основных параметров систем внутрипочвенного орошения при возделывании овощных культур, приводятся расчет коэффициентов уравнений регрессии и оценка их значимости по критерию Стьюдента. В результате расчета получены регрессионные зависимости в кодированном виде, а также математические модели адекватности результатов эксперимента. При использовании двухмерных сечений получены оптимальные значения факторов, характеризующих основные параметры трубчатых увлажителей.
The article presents the materials of optimization of structural elements and the main parameters of soil irrigation systems in the cultivation of vegetable crops, calculated the coefficients of the regression equation and assesses the significance on the basis of the criterion of student. Based on the calculations, the regression equations in coded form and mathematical models of the adequacy of the experimental results are obtained. With the help of two-dimensional cross sections, the optimal values of factors for the design of the humidifiers under study are determined.
Ключевые слова: орошение, система внутрипочвенного орошения, конструкция, оптимизация, технология, культура.
Key words: irrigation, soil irrigation system, design, optimization, technology, culture.
Работа выполнена в рамках тематического плана-задания на выполнение научно-исследовательских работ
Введение. В овощеводстве страны произошли резкие структурные изменения, вызванные проводимыми в сельском хозяйстве рыночными реформами. Преобладающими в производстве овощей стали личные подсобные хозяйства, которые по своей природе являются в основном семейно-потребительскими.
В настоящее время доля сельскохозяйственных предприятий от всей площади, занятой овощными культурами, составляет 12,6 %, а в объеме валового сбора - 15,9 %.
До недавнего времени в орошаемом земледелии в основном применялся поверхностный способ орошения. Он предусматривает подачу поливной воды на орошаемые участки по полосам, бороздам, либо затоплением. Такой способ полива нередко приводит к засолению и заболачиванию почв, бурному развитию сорняков в связи с высокими поливными нормами.
При выращивании овощных культур особое внимание необходимо уделять внедрению экологически безопасных и экономически выгодных ресурсосберегающих технологий относится внутрипочвенное [5 ,6, 8, 9].
Принцип внутрипочвенного орошения состоит в подаче поливной воды непосредственно в корнеобитаемый слой.
Главная особенность внутрипочвенного орошения состоит в почти полном отсутствии увлажнения верхнего почвенного слоя, что способствует предотвращению образования корки, снижению потерь поливной воды, связанных с испарением [1, 2, 7, 3, 4] .
Материалы и методы. Определение оптимальных параметров внутрипочвен-ной увлажнительной сети в открытом и закрытом грунтах производилось путем реализации плана Рехтшафнера, получением уравнений регрессии и функций отклика.
При реализации этапа лабораторных и полевых исследований выходные показатели были приняты в виде факторов падения напора в начале увлажнителя Д^ач, падения напора в середине увлажнителя Д^р и падения напора в конце увлажнителя Д^он, выраженные в миллиметрах.
Таблица 1 - Факторы, их уровни и интервалы варьирования исследуемой конструкции увлажнителей
Фактор Уровень фактора Интервал варьирования, е
0 -1 +1
х! - диаметр увлажнителей, мм 40 30 50 10
х2 - диаметр перфорации, мм 2 1,5 2,5 0,5
х3 - шаг перфорации, мм 200 150 250 50
На основании принятой методики при исследовании области оптимума была произведена реализация плана Рехтшафнера, характеризующего 3-х факторный эксперимент. В результате полученных при эксперименте данных на основании расчета установлены коэффициенты В0, В^ Ву и Вн уравнения регрессии:
у = В0 + ^Вгхг + £В^хгх] + ^Вих? . (1)
Значимость коэффициентов в уравнении 1 оценивалась с использованием критерия Стьюдента. В результате были определены и удалены незначимые коэффициенты, а затем произведен повторный расчет коэффициентов математической модели. В кодированном виде полученные регрессионные модели имеют вид:
АЛнач = 27,21 +18,4х1 + 0,92х2 - 0,47х3 + 1,Цх2 - 0,55хх -
- 0,82 х2 х3 + 9,59 х2 +11,86 х22 + 10,36х32 (2)
АЛ = 106,35 + 72,28х, + 4,85х2 - 1,83х3 + 7,22х, х2 - 2,35х х3 -
ср 1 2 3 1 2 1 3 (3)
- 2,38х2 х3 + 44,47х2 + 52,6 х22 + 43,18х32
ИЗВЕСТИЯ'
№ 2 (50) 2018
АЛкон = 89,67 + 83,3х + 5,27х2 - 0,47х3 + 6,68хх -1,82хх3 -
-1,6 х2 х3 + 43,53x2 + 49,55x2 + 36,3х32 ' (4)
На основании критерия Фишера проведена проверка адекватности полученных регрессионных уравнений:
F =
5
ад
52 (У,)
(5)
где
S2 (уЯЁ Г [:
1 1
Ук, - у
^ ]2 1 /+1) - значение дисперсии ошибки эксперимента;
N /
= пГ(у1 -У1) -[к +1]) - значение дисперсии неадекватности модели, где у1 - значение случайной величины, рассчитанной по математическому уравнению; у1 - показатель среднеарифметического значения случайной величины; ущ - показатель значения 1-той величины в ,-том опыте; п - количество повторностей эксперимента; N - показатель числа строк в матрице плана; к - количество факторов.
В результате исследований падение напора Fнач = 1,3316 Fср = 1,109 и Fкон = 1,06997. Для всех случаев F0.05>F ^005=2.1646 - показатель табличного значения критерия Фишера для уровня значимости 5 %). В результате можно утверждать об адекватности полученных математических моделей результатам эксперимента.
В результате применения предложенной программы были определены величины оптимальных значений факторов (таблица 2).
Для анализа и систематизации полученные математические модели второго порядка привели к типовой канонической форме вида:
2 2 2
YI -Yt = впх2 + в22х2 +...+вккХ2
(6)
где YI - значение критерия оптимизации для первой исследуемой конструкции; Ys - значение критерия оптимизации в оптимальной точке; Хь Х2, ..., Хк - новые оси координат, повернутые относительно старых хь х2, ..., хк; Вп, В22, ..., Вкк - коэффициенты регрессии в канонической форме.
Таблица 2 - Оптимальные значения факторов
Критерий оптимизации
Фактор Падение напора в нача- Падение напора в середине Падение напора в конце
ле увлажнителя ДЬнач увлажнителя Д^р увлажнителя Д^он
х1 - 0,96 - 0,81 - 0,96
40,4 41,9 40,4
0,01 0 0,02
х2 2,01 2 2,01
х3 - 0,01 0 - 0,01
19,95 20 19,95
Примечание: числитель - кодированный вид, знаменатель -раскодированный вид.
Результаты и обсуждение. В результате проведения расчетов получены коэффициенты регрессии в канонической форме В11, В22, В33, В44 и критерий оптимизации в оптимальной точке Ys.
В канонической форме уравнения регрессии выглядят следующим образом:
YАЙ нач -18,38 = 1,21X1 +1,49Х2 +1,24Х32 ; (7)
2
YАЙ ср - 77 = 7,07X,2 + 8,98X2 + 7,25X2 ; (8)
YАЙ Кон - 49,81 = 6,26X2 + 7,33X2 + 5,87X2. (9)
В связи с положительным значением коэффициентов квадратных членов можно утверждать о виде поверхности откликов, описанных уравнениями 7,8 и 9, как трехмерных параболоидов с координатами центров поверхностей, соответствующих оптимальным значениям факторов.
Для определения оптимальных параметров нужно на основании двумерных сечений решить компромиссную задачу (рисунки 1-3).
В качестве основного критерия оптимизации было принято падение напора в середине увлажнителя Д^р.
Дополнительными критериями оптимизации были приняты: величина падения напора в начале увлажнителя Д^ач и величина падения напора в конце увлажнителя Д^он.
При этом производилось решение компромиссной задачи, при котором необходимо определение значения факторов, обеспечивающих минимальную величину падения напора в середине увлажнителя Д^р с учетом заданного уровня падения напора в начале увлажнителя Д^ач (20 мм) и заданного уровня падения напора в конце увлажнителя Д^он (55 мм).
Результаты расчетов графически представлены на рисунке 1.
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 х, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Рисунок 1 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х2 при х3 = 0 на падение напора в начале увлажнителя Д^ач, падение напора в середине увлажнителя Д^р и падение напора в конце увлажнителя Д^он
Рассматривая двумерное сечение поверхности отклика по регрессионным зависимостям относительно факторов (х1) и (х2), значение фактора (х3) фиксировалось на уровне, оптимальном в соответствии с основным критерием оптимизации: х3 = 0.
На основании анализа рисунка 1 можно сделать вывод об общей зоны оптимума для поверхностей откликов.
В результате установлены оптимальные значения факторов: х1= - 1,0...- 0,8 и х2 = - 0,1.+ 0,1.
ИЗВЕСТИЯ
№ 2 (50) 2018
Рассматривая двумерное сечение поверхности отклика по регрессионным зависимостям относительно факторов (х1) и (х3), значение фактора (х2) фиксировалось на уровне, оптимальном в соответствии с основным критерием оптимизации: х2 = 0. Результаты расчетов графически представлены на рисунке 2.
-а,8 -0,6 -0,4 -0,2 О X, од
Рисунок 2 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х1 и х3 при х2 = 0 на падение напора в начале увлажнителя ДИнач, падение напора в середине увлажнителя ДЪср и падение напора в конце увлажнителя ДИкон (конструкция №1)
На основании анализа рисунка 2 можно сделать вывод об общей зоны оптимума для поверхностей откликов.
В результате установлены оптимальные значения факторов: х1= - 1,0.- 0,8 и х3 = - 0,1.+ 0,1.
Рассматривая двумерное сечение поверхности отклика по регрессионным зависимостям относительно факторов (х2) и (х3), значение фактора (х1) фиксировалось на уровне, оптимальном в соответствии с основным критерием оптимизации: х1 = - 0,81.
Результаты расчетов графически представлены на рисунке 3.
—1
ктинпк кшкаяк
-0,8 -0,6 -0,4
0 х2 0,2 0,4 0,6 0,8
Рисунок 3 - Двумерное сечение для изучения влияния факторов х2 и х3 при х1 = - 0,81 на падение напора в начале увлажнителя ДИнач, падение напора в середине увлажнителя ДЪср и падение напора в конце увлажнителя ДИкон
307
На основании анализа рисунка 2 можно сделать вывод об общей зоны оптимума для поверхностей откликов.
В результате установлены оптимальные значения факторов: х2= - 0,1...+ 0,1 и хз = - 0,1.+ 0,1.
С целью обеспечения минимального падения напора в середине увлажнителя Ahcj, при заданном значении уровня падения напора в начале увлажнителя Д^ач (20 мм) и значении падения напора в конце увлажнителя Д^он (55 мм) можно утверждать о необходимости принятия следующих оптимальных значений факторов: х1= - 1,0.- 0,8 (39.41 мм), х2= - 0,1.+ 0,1 (1,95.2,05 мм) и хз = - 0,1.+ 0,1 (190.210 мм). При этом падение напора в середине увлажнителя Ahq, составит 80 мм.
Заключение. В результате на основании двумерных сечений было произведено решение компромиссной задачи, то есть определения оптимальных значений факторов для исследуемой конструкции трубчатых увлажнителей.
Библиографический список
1. Бочарников, В.С. Водосберегающие технологии полива томатов и сладкого перца в условиях Волго-Ахтубинской поймы [Текст]/ В.С. Бочарников, М.П. Мещеряков, О.В. Бочар-никова // Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК: материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения основоположника высшего гидротехнического и мелиоративного образования в России В.В. Подарева. - М: ФГОУ ВПО МГУП, 2012. - С. 103-108.
2. Бочарников, В.С. Задачи повышения технической надежности систем капельного и внутрипочвенного орошения [Текст] / В.С. Бочарников, М.П. Мещеряков //Проблемы и перспективы аграрной науки в России (посвящается 135-летию А.И. Стебута): сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции/ НИИ сельского хозяйства Юго-Востока РАСХН. - Саратов, 2012. - С. 308-311.
3. Закономерности формирования урожая томатов при капельном орошении [Текст] / А.С. Овчинников, И.И. Азарьева, В.С. Бочарников, М.П. Мещеряков, О.В. Бочарникова //Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации: сборник научных докладов IV Международной конференции / ВНИИ «Радуга». - Коломна: Инлайт, 2012. - С. 87-89.
4. Интенсивные технологии полива овощей [Текст] / А.С. Овчинников, В.С. Бочарников, М.П. Мещеряков, О.В. Бочарникова // Сельский механизатор. - 2014. - № 9. - С. 18-19.
5. Майер, А.В. Регулирование фитоклимата системой комбинированного орошения при возделывании овощных культур [Текст] /А.В. Майер, В.С. Бочарников // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. -2012. - №1 (25). - С. 53-58.
6. Майер, А.В. Технические средства и технология комбинированного орошения сельскохозяйственных культур [Текст] / А.В. Майер, В.С. Бочарников, О.В. Бочарникова // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2012. - №2 (26). - С. 200-207.
7. Мещеряков, М.П. Оценка технической эксплуатации оросительной системы [Текст]/ М.П. Мещеряков, В.С. Бочарников // Научно-производственное обеспечение инновационных процессов в орошаемом земледелии Северного Прикаспия: межрегиональная научно-практическая конференция. - М: Издательство «Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук», 2013. - С. 135-137.
8. Мещеряков, М.П. Инновационные решения в системах капельного орошения [Текст] / М.П. Мещеряков, В.С. Бочарников// Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей VIII Международной научно-практической конференции, посвящённой 70-летию Алтайского ГАУ. - Барнаул: РИО АГАУ, 2013. - Кн.2. - С. 142-144.
9. Мещеряков, М.П. Эксплуатация передовых систем орошения при возделывании овощных культур [Текст] / М.П. Мещеряков, В.С. Бочарников // Пути повышения продуктивности орошаемых агроландшафтов в условиях аридного земледелия: материалы Международной научно-практической конференции / Прикаспийский НИИ аридного земледелия. - М.: Изд-во «Вестник РАСХН», 2012. - С. 84-87.
Reference
1. Bocharnikov, V.S. Vodosberegayuschie tehnologii poliva tomatov i sladkogo perca v usloviyah Volgo-Ahtubinskoj pojmy [Tekst]/ V.S. Bocharnikov, M.P. Mescheryakov, O.V. Bocharnikova // Rol' melioracii i vodnogo hozyajstva v innovacionnom razvitii APK: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyaschennoj 150-letiyu so dnya rozhdeniya osnovopolozhnika vysshego gidrotehnicheskogo i meliorativnogo obrazovaniya v Rossii V.V. Podareva. - M: FGOU VPO MGUP, 2012. - S. 103-108.
2. Bocharnikov, V.S. Zadachi povysheniya tehnicheskoj nadezhnosti sistem kapel'nogo i vnutripochvennogo orosheniya [Tekst] / V.S. Bocharnikov, M.P. Mescheryakov //Problemy i perspektivy agrarnoj nauki v Rossii (posvyaschaetsya 135-letiyu A. I. Stebuta): sbornik dokladov Vserossijskoj nauchno-prakticheskoj konferencii/ NII sel'skogo hozyajstva Yugo-Vostoka RASXN. -Saratov, 2012. - S. 308-311.
3. Zakonomernosti formirovaniya urozhaya tomatov pri kapel'nom oroshenii [Tekst] / A.S. Ovchinnikov, I.I. Azar'eva, V.S. Bocharnikov, M.P. Mescheryakov, O.V. Bocharnikova // Innovacionnye tehnologii i jekologicheskaya bezopasnost' v melioracii: sbornik nauchnyh dokladov IV Mezhdunarodnoj konferencii / VNII "Raduga". - Kolomna: Inlajt, 2012. - S. 87-89.
4. Intensivnye tehnologii poliva ovoschej [Tekst] / A.S. Ovchinnikov, V.S. Bocharnikov, M.P. Mescheryakov, O.V. Bocharnikova // Sel'skij mehanizator. - 2014. - № 9. - S. 18-19.
5. Majer, A.V. Regulirovanie fitoklimata sistemoj kombinirovannogo orosheniya pri vozdelyvanii ovoschnyh kul'tur [Tekst] /A.V. Majer, V.S. Bocharnikov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2012. - №1 (25). -S. 53-58.
6. Majer, A.V. Tehnicheskie sredstva i tehnologiya kombinirovannogo orosheniya sel'skohozyajstvennyh kul'tur [Tekst] / A.V. Majer, V.S. Bocharnikov, O.V. Bocharnikova // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -2012. - №2 (26). - S. 200-207.
7. Mescheryakov, M.P. Ocenka tehnicheskoj ]kspluatacii orositel'noj sistemy [Tekst]/ M.P. Mescheryakov, V.S. Bocharnikov // Nauchno-proizvodstvennoe obespechenie innovacionnyh processov v oroshaemom zemledelii Severnogo Prikaspiya: mezhregional'naya nauchno-prakticheskaya konferenciya. - M: Izdatel'stvo "Vestnik Rossijskoj akademii sel'skohozyajstvennyh nauk", 2013. - S. 135-137.
8. Mescheryakov, M. P. Innovacionnye resheniya v sistemah kapel'nogo orosheniya [Tekst] / M. P. Mescheryakov, V. S. Bocharnikov// Agrarnaya nauka - sel'skomu hozyajstvu: sbornik statej VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyaschjonnoj 70-letiyu Altajskogo GAU. -Barnaul: RIO AGAU, 2013. - Kn.2. - S. 142-144.
9. Mescheryakov, M.P. Jekspluataciya peredovyh sistem orosheniya pri vozdelyvanii ovoschnyh kul'tur [Tekst] / M.P. Mescheryakov, V.S. Bocharnikov // Puti povysheniya produktivnosti oroshaemyh agrolandshaftov v usloviyah aridnogo zemledeliya: materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii / Prikaspijskij NII aridnogo zemledeliya. - M.: Izd-vo "Vestnik RASXN", 2012. - S. 84-87.
Е-mail: [email protected]
