CC BY
11
НЛТУ
УКРЛ1НИ
Hl/IUB
Науковий bIch и к НЛТУУкраТни Scientific Bulletin of UNFU
http://nv.nltu.edu.ua https://doi.org/10.15421/40271023 Article received 17.12.2017 р. Article accepted 28.12.2017 р.
УДК 631/635(043.3)
ISSN 1994-7836 (print) ISSN 2519-2477 (online)
@ EE3 Correspondence author V. A. Turcheniuk [email protected]
В. О. Турченюк
Нацюнальний утверситет водного господарства та природокористування, м. Рiвне, Украта
ПОКРАЩЕННЯ ВОДО- ТА ЕНЕРГОКОРИСТУВАННЯ НА РИСОВИХ ЗРОШУВАЛЬНИХ СИСТЕМАХ
Розроблено та запропоновано метод системно! оптимiзацп для покращення водо- та енергокористування у функцюну-ванш рисових зрошувальних систем (РЗС). Сформульовано пiдходи до вибору критерйв та умов економiчноl й еколопчно! оптимiзацп пiд час побудови комплексних оптимiзацiйних моделей у проектах !х реконструкцп та експлуатацп. Науково обгрунтовано сукупнiсть рiзнорiдних та взаемопов'язаних показниюв (глибина рiвнiв Грунтових вод у мiжвегетацiйний перь од для рису та у вегетацшний перiод для супутшх культур, мшералiзацiя Грунтових вод, тривалсть перiоду iз стоянням рiв-ня Грунтових вод нижче ввд критично! глибини, ступiнь засолення кореневмюного шару Грунту, швидкiсть фшьтрацп з по-верхнi рисового чека, зрошувальна норма рису, загальний об'ем перекачано! води) як критерйв оцшювання загально! ефек-тивностi водо- та енергокористування на функцюнальних РЗС. На основi системно! оптимiзацil розроблено комплекс рiзно-рiдних та взаемопов'язаних режимних, технолопчних i технiчних ршень, спрямованих на тдвищення загально! ефектив-ностi функцюнування РЗС вiдповiдно до сучасних економiчних й екологiчних вимог, удосконалено методи обгрунтування параметрiв. Економiя водних та енергетичних ресурсiв на РЗС становить 20.. .50 %.
Ключ^ слова системна оптимiзацiя; водо- та енергокористування; рисова зрошувальна система; еколого-еконотчний ефект.
Вступ. Важливим та актуальним завданням розвит-ку аграрного сектору економши Укра!ни на сучасному етапi е ввдновлення продуктивностi та ресурсного по-тенщалу галузi рисiвництва. Це е неможливим без тд-вищення загально! техшчно!, технолопчно!, економiч-но! та еколопчно! ефективносп функцiонування наяв-них рисових зрошувальних систем (РЗС).
Посилення еколопчних проблем у зрошуваному зем-леробсга i, особливо в рисiвництвi, потребуе узгодження економiчних та екологiчних цшей, за яких можна досяг-ти найбшьшого сукупного еколого-економiчного ефекту (Monaco & Sali, 2018; Van Niel & Mc Vicar, 2004). Для цього потрiбно запровадити заходи, яш спрямоваш на формування екологiчно стабшьного природного середо-вища та його високу вiдгворювальну спроможнiсть.
Вирiшення ще! науково-практично! проблеми грун-туеться на необхвдносп пiдвищення загально! ефектив-носп функцiонування РЗС на основi використання науково обгрунтованих, ресурсоощадних технологш зро-шуваного землеробства. Вiдповiдно, це потребуе засто-сування вiдповiдних комплексних i системних рiшень з водо- та енергокористування тд час проектування та експлуатацп такого роду об'екпв з урахуванням сучасних економiчних та екологiчних вимог.
Аналiз лггературних даних та постановка проблеми. Постановка ще! проблеми, в принцит, не нова. Рiзнi особливостi - ввд режимних, технологiчних, технiчних до еколого-економiчних - розглянуто в численних публь кацiях вiдповiдних фахiвцiв рiзного профiлю. Так, питан-
ня ефективного використання водних ресурсiв п1д час вирощування рису в умовах дефщиту води та необхщ-ностi управлшня зрошувальною водою для шдвищення продуктивносп рисiвництва висвiтлено в роботах (Monaco & Sali, 2018; Van Niel & Mc Vicar, 2004; Botes, Bosch & Oosthuizen, 1996; Soundharajan & Sudheer, 2009; Yaku-ba, 2017). Позитавш результата виробництва основного продукту харчування бiльшо! частини людства - рису та вплив на навколишне природне середовище наведено в (Van Niel & Mc Vicar, 2004; Yakuba, 2017).
Щодо питань ошгашзацп водо- та енергокористування у створенш та функцiонуваннi мелiоративних систем, зокрема i РЗС, то вони мають переважно пошуковий i постановочний характер. Так, за результатами досль джень (Botes, Bosch & Oosthuizen, 1996), запропоновано модель для оптимiзацi! ршень з використання водних ресурав пiд час вирощування рису для отримання висо-ких врожа!в рису з меншою к1льк1стю зрошувально! води. Опгимiзацiйну модель для розроблення оптималь-них графiкiв зрошування для рисово! культури протягом перюду вегетацп в умовах дефiциту води запропоновано у дослщженш (Soundharajan & Sudheer, 2009).
Актуальш проблеми щодо зниження енергетичних затрат на рисових системах водогосподарського комплексу Нижньо! Кубаш розглянуто в (Yakuba, 2017). За результатами дослщжень розроблено та наведено пара-метри оптимiзацi! рисових зрошувальних систем, яш дають змогу знизити енергозатрати на колекторно-дре-нажнiй мереж1 рисових систем.
1нформащя про автора:
Турченюк Василь Олександрович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри водно! шженерп та водних технолопй. Email: [email protected]
Цитування за ДСТУ: Турченюк В. О. Покращення водо- та енергокористування на рисових зрошувальних системах. Науковий
вкник НЛТУ Укра!ни. 2017. Вип. 27(10). С. 122-128. Citation APA: Turcheniuk, V. A. (2017). Improvement of Water and Energy Use on Rice Irrigation Systems. Scientific Bulletin of UNFU, 27(10), 122-128. https://doi.org/10.15421/40271023
Визначення оптимальних napaMeTpiB зрошувально! мереж рисових систем за ошгашзацшним пiдходом розглянуто в робот (Paudyal, Pandit & Goto, 1991). Вщ-сутнiсть ввдповщних технiчних критерив для встанов-лення оптимальних розмiрiв зрошувальних кaнaлiв призводить до низько! ефективностi багатьох ipm^-цiйних схем. Тому на основi оптимiзaцiйного пiдходу встановлюють так1 розмiри кaнaлiв, як1 е економiчними i приводять до мiнiмaльних втрат зрошувально! води.
Отже, дослвдження на рисових системах зводяться, в основному, до виршення окремих, переважно вузьких, питань функцюнування. За минулий перiод головну увагу придiляли переважно питанню тдвищення вро-жaйностi сiльськогосподaрських культур без урахуван-ня збереження та покрашення родючостi грунтiв, раць онального використання земельних, водних й iнших ре-сурсiв, охорони довк1лля (Kovalchuk & Michalska, 1994; Rokochinskiy, Mendus & Turcheniuk, 2016).
Це зумовлено виникненням широкого кола нагальних проблем щодо дефiциту водних ресурсiв, пiдтоплення, неефективного використання водних, енергетичних й ш-ших ресурсiв, деградаци мелiоровaних грунпв тощо.). Ця проблема значно посилюеться в умовах змiни клiмaту.
Водночас тдходи до обгрунтування комплексу за-ходiв з оптишзаци режимних, технолопчних та техтч-них рiшень тд час створення та функцiонувaння роз-роблено недостатньо через виражену специфiчнiсть РЗС (склaднi гiдрогеологiчнi умови, засолетсть грун-тiв, грунтових вод тощо). Це визначае необхвдшсть поеднувати в однш оптимiзaцiйнiй моделi рiзнорiднi критерп. Зокрема, економiчнi критерп, що виражеш у вaртiсному виглядi i характеризують економiчну ефек-тивнiсть мелiорaтивних зaходiв. А також екологiчнi критерп, що представлен сукупнiстю вiдповiдних фь зичних показник1в водного, сольового та шших режи-мiв, як1 характеризують еколопчну ефективнiсть РЗС. Тому питання створення едино! еколого-економiчно! оптимiзaцiйно! моделi е актуальним i потребуе пошуку нових пiдходiв до його вирiшення.
Мета та завдання дослщження. Метою роботи е пiдвищення загально! ефективностi водо- та енергоко-ристування на основi оптимiзaцi! режимних, техноло-гiчних i технiчних рiшень з водорегулювання тд час створення та функцiонувaння РЗС з урахуванням сучас-них економiчних й екологiчних вимог.
Для досягнення зазначено! мети потрiбно вирiшити так завдання:
• розвинути теоретичнi засади й розробити сучaснi пiдходи до оптишзаци на еколого-економiчних засадах техшчних i технологiчних ршень з водорегулювання у проектах ре-конструкци та експлуатацй на РЗС;
• доолдиш та ощнити режимт, технологiчнi та техтчш особливостi водорегулювання на РЗС у взаемозв'язку в змшних природно-агромелюративних умовах на приклaдi Придунайських РЗС (ПРЗС);
• розробити зaгaльнi принципи побудови й реaлiзaцil моделей оптишзаци технiчних i технологiчних ршень з водорегулювання на РЗС на еколого-еконмчних засадах.
Виклад основного матер1алу дослiдження. Науко-вi тдходи та принципи реaлiзaцi! моделi системно! оп-тимiзaцi! на РЗС. Рисовi системи мають низку особли-востей, чим вiдрiзняються вiд трaдицiйних мелюратив-них об'ектiв зони зрошення. Щ особливостi зумовленi складними грунтовими, геолопчними та пдрогеолопч-
ними умовами територш, що вiдведенi пiд улаштування рисових систем, а також наявтстю у йвозмш провщ-но! культури затоплюваного рису.
Особливiсть технологi! водорегулювання тд час ви-рощування затоплюваного рису полягае у створеннi та тдтримант на рисових полях потрiбного промивного водного режиму. Це забезпечуе формування сприятли-вого природно-мелiоративного режиму та формування задовшьного еколого-мелiоративного стану те! терито-рi!. Створення необхiдного промивного водного режиму забезпечують вщповвдними режимами водоподачi та водовiдведення на система Подана вода витрачаеться на створення шару на рисовому полi щодо бюлопчних потреб культури рису, транстращю i фiльтрацiйнi втрати. Суть промивного водного режиму полягае тут у зниженнi сезонно! акумуляцi! солей у верхнiх горизонтах та вимивання низхiдними токами води в нижт го-ризонти i в дренажну мережу.
Отже, тдтримання необхiдного рiвня промивностi рисового поля в рiзнi перiоди вирощування рису е необ-хiдною умовою тдвищення продуктивносп РЗС, пок-ращення еколого-мелiоративного стану в межах системи та на прилеглих територiях.
Вирiшення означено! проблеми потребуе переходу ввд традицiйно! практики розгляду РЗС не суто як техшчних, а як складних природно-техтчних систем. Це визначае вщповвдну змiну уйе! методологi!, технiчно! та технологiчно! стратеги створення i функцiонування. Окрiм цього, необхвдне безпосередне врахування мш-ливих у чай та невизначених за сво!м характером при-родно-клiматичних умов. Саме вони, разом з мелюра-тивними чинниками, справляють визначальний вплив на загальний природно-мелiоративний режим земель РЗС та створюваний вщповвдний еколого-економiчний ефект (Rokochinskiy, Mendus & ТшЛепшк, 2016; Turchenyuk, Frolenkova & Rokochinskiy, 2017).
Як показують практика i набутий досвiд, вирiшення тако! складно! проблеми для наявних РЗС, яю по суп е також i еколого-економiчними об'ектами (Turchenyuk, Frolenkova & Rokochinskiy, 2017), потребуе застосування ввдповвдних комплексних i системних рiшень, насампе-ред щодо оптимiзацi! природно-мелiоративного режиму.
Природно-мелюративний режим (ПМР) - це сукуп-нiсть водного, повiтряного, теплового, поживного, окисно-вiдновного та iнших грунтових режимiв. Вони регулюються за допомогою пдромелюративних, агро-технiчних i оргатзацшних заходiв на фонi природних чиннишв в умовах зрошувально!, зокрема i рисово!, системи.
На рисових системах ПМР визначаеться цшою низкою чиннишв, головними з яких е природт (клiматичнi чинники), технологiчнi (подача та ввдведення води), конструктивнi (конструкцiя та параметри зрошувально! i дренажно-скидно! мереж! й ш.). Результати дослвджень (МеМш, 2016) свiдчать про те, що натстоттший вплив на ПМР даевих РЗС здiйснюе дренажно-скидна мережа. На рисових системах саме вона визначае iнтенсивнiсть та спрямоватсть фiльтрацiйних процейв, що вщбува-ються внаслвдок тривалого перезволоження грунпв в умовах застосування поливу затопленням. Ця мережа формуе промивний, ввдповвдно водний i сольовий режи-ми, е визначальним чинником продуктивности гарантом тдтримання належного еколого-мелiоративного стану зрошуваних земель рисово! системи.
Як складна природно-техтчна еколого-економiчна система, РЗС потребуе одночасного поеднання режим-них, технолопчних, технiчних, економiчних й еколопч-них iнтересiв на основ! системно'1 оптим1зацИ. Суть цього полягае у знаходженш пром!жних ! локальних оптимум!в за вйма основними елементами водо- та енергокористування. До них вщносять основш зм!нш в простор! ! час! чинники, що впливають на ефектившсть функцюнування РЗС загалом. Тому, зпдно з ^окос-hinskiy, МеМш & Turcheniuk, 2016), системна оптимь защя на еколого-економ!чних засадах режимних, технолопчних та конструктивних ршень на вщповвдних р!в-нях прийняття в час! (1 - стащя проекту, 2 - стад!я пла-нова експлуатащя) може бути реал1зована за такими комплексними моделями.
На стад!! проекту тд час обгрунтування оптималь-них параметр!в конструктивних ршень з урахуванням ктматолопчно! стратег!! управл!ння об'ектом модель мае вигляд
ZP° = min 5Г(С. + E K.)+ R; 5 = 1, n ; i = 1, n,\ Zi°°=m11 5 Zjksp- Zj\■ ap;j=1 nj;5=1 ns;.=1 n=
(1)
де: Zp - мiнiмaльне значения приведених витрат за прийнятою умовою обраного критерш економiчно! оп-тимaльностi, що вщповщае оптимальному проектному рiшенню iз сукупносп можливих вaрiaитiв I = {i}, i = 1,n. ; Zjs- сукупнiсть J = {j}, j = 1,nj критерi!в
(фiзичних показник1в) екологiчно! ефективносп водо-регулювання на РЗС за сукупшстю проектних рiшень {i}, i = 1, n , ввдповвдною технологiею водорегулювання {s}, s = 1, ns; Zj - вщповвдш розглядувaнi лiмiтуючi по-
казники екологiчно! ефективностi; ap - вiдомi (встанов-ленi або заданi) значення повторювaностi чи часток можливого стану типових метеоролопчних режимiв у розрaхунковi перiоди вегетaцi! сукупностi {p},p = 1,np у межах проектного термшу функцiонувaння об'екта,
5ap = 1; W. - обсяг (вaртiсть) отримано! продукцп за
p^np
вiдповiдиими вaрiaитaми режимних, технолопчних та
техшчних рiшень сукупносп {i}, i = 1, n ; C. - поточнi
витрати на отримання продукцi! за вaрiaнтaми проектних рiшень (ПР); En - нормативний коефiцiент еконо-мiчно! ефективностi кaпiтaльних вкладень K. за ввдпо-вiдиими вaрiaнтaми ПР; Я. - погодно-клiмaтичний ри-зик за ввдповщними вaрiaнтaми ПР, що визначають як
ъ =- ^Г ■ а =^% • а,« = 1,п , (2)
де: W¡j - варпсть валово! продукцп за фактичною вро-жайшстю, отриманою за /'-тим вар!антом ПР, грн/га; Wпм - варпсть валово! продукцп за потенцшно можли-вою врожайшстю на об'екп, грн/га.
За аналопею, на стад!! експлуатацп для функць ональних РЗС модель мае такий вигляд:
D„ = nrax £[W. - С - R ]-ap; i = 1, n,; s = 1, ns;
{s} p=1 (3)
Zi°=m11 5 Zjp- Zj\■ ap;j=1 nj =1 п, ;s=1=n=
де D0 - максимальне значення показника чистого доходу, що досягаеться внаслвдок отримання певного обсягу вирощувано! сшьськогосподарсько! продукц!! п!д час застосування р!зних вар!ант!в технолог!чних р!шень.
Еколопчну умову оптим!зац!! на рисовому пол! ! на систем! загалом розглядають як визначену, обгрунтова-ну ! прийняту сукупн!сть ф!зичних показник1в (критерь !в) оц!нювання водного, сольового ! загального ПМР. Такими показниками для РЗС можуть бути: режим р!в-ня грунтових вод (РГВ) у позавегетацшний пер!од (Hg); тривал!сть знаходження РГВ нижче в!д критично! гли-бини (Т); швидк1сть ф!льтрац!! тд затопленим рисовим полем (V); стутнь засолення кореневм!сного шару грунту (5); мшерал!защя грунтових вод (G); зрошуваль-на норма рису (М) та ш.
= {ЩьЛ,8ЬМъ,Gs),5 = Vk е пк, j = . (4)
За такими показниками, пор!вняно !з граничними значеннями щодо конкретних грунтово-мелюративних умов об'екта, можна передбачати спрямовашсть проце-с!в, як1 в!дбуваються на рисовому пол! ! систем! загалом. Це дае змогу неявно оцшити еколопчний ефект в!д реал!зацп мел!оративних заход!в.
Розглянут! показники мають досить високий р!вень сполученост! м!ж собою, враховують динам!ку ! ком-плексн!сть досл!джуваних процес!в, адекватно вщобра-жають р!зн! позиц!! формування ! виявлення водно-сольового, ф!льтрац!йного режим!в за р!зних природно-мел!оративних умов. Щ показники можуть бути визна-чен! наявними методами експериментальним шляхом або за допомогою вщповвдних розрахункових метод!в ! моделей для прогнозних розрахунк1в на довготерм!но-в!й основ!. Запропонований п!дх!д дае змогу використо-вувати ц! показники у будь-якому сполученн!, залежно в!д вир!шуваного завдання, як критер!! еколог!чно! ефективност! в комплексних моделях ошгашзацп водо-регулювання на рисових системах.
Обгрунтування оптимального загального природно-мелюративного режиму, в!дпов!дно параметр!в техно-лопчних ! техн!чних проектних р!шень на РЗС за штег-ральною оцшкою сукупност! наведених показник1в еко-лопчно! ефективност!, може бути достатньо ефективно виконано на основ! тдходу (Кагик, 1989). Зг!дно з таким тдходом характеристику еколог!чно! над!йност! вар!анта мел!оративного проекту можна представити у вигляд! вектора Н з компонентами Нг.
Н = = (5)
де N - шльшсть елемент!в (чинник1в), як1 характеризуют еколог!чну над!йн!сть мел!оративного проекту.
За припущення, що в систем! чиннишв вс! вони е од-наково важливими, в!дсутн!сть певного елемента можна вважати як вщповвдне зменшення м!ри еколог!чно! над!йност!. Тому тут компоненти Нг приймають вщпо-в!дн! значення за умови, що
)1,якщо Н2 < НЯ2; /0якщо Н, > Нн2, де Нн2 - нормативне, критичне або допустиме значення 2-го елемента.
Тод! коефщент екологiчноi надiйностi вар!анта ме-л!оративного проекту можна визначити за формулою
H,
(6)
1 N
kн=N 5 H
(7)
n
Такий коефщент е наближеною оцiнкою еколопч-но!' стiйкостi проекту i ступеня врахування чинник1в еколопчно! надiйностi його функцюнування. Значення коефiцiентiв еколопчно! надшносп мелiоративного об'екта за рекомендованою шкалою наведено в табл. 1.
Табл. 1. Шкала коефщенпв еколопчно! надшносп
Табл. 2. Визначення оптимально!" швидкост вертикально!
№ з/п Коефщент еколопчно! надшносп Найменування градацш р1вня еколопчно! надшносп
1 0-0,25 ненадшна
2 0,26-0,50 недостатньо надшна
3 0,51-0,75 достатньо надшна
4 0,76-1,0 надшна
H.
н^ - а.
фг
1 +-
Н„
Hz - а
фг
Hz
якщ° афг ^ Hn,
якщо Нфг > H,
(8)
о 14
|tl2 2 -5 = zlO
К а
Н сЗ
3.5 4
сп •&
О
Т 1
2
3
♦
О
50
100
150
200
250 300
Вщстань вщ картаво! дрени, м Рис. 1. Розподш швидкостей вертикально! фiльтрацiI на рисо-вш картi-чеку для умов ПРЗС
На вiдмiну вiд розглянутого тдходу, запропоновано бiльш гнучкий iнструмент визначення компоненти Hz, коли вона приймае всi можливi значення в iнтервалi [0,1] за умови, що
Швид-кють фшьтра-Ц1! V, мм/добу Компонента Hz за Hg Компонента Hz за Т Компонента Hz за S Компонента Hz за G Компонента Hz за M Коефщент еколопчно! надшносп, кн
0,5 0,80 0,82 0,51 0,43 0.24 0,56
1,0 0,95 0,98 0,55 0,50 0,28 0,65
2,0 1,00 1,00 0,67 0,60 0,33 0,72
4,0 0,93 0,93 0,73 0,75 0,50 0,77
6,0 0,87 0,89 0,80 0,86 0,61 0,80
8,0 0,80 0,93 0,89 1,00 0,74 0,87
10,0 0,67 0,86 1,00 0,83 0,77 0,83
12,0 0,70 0,86 1,00 0,73 0,77 0,81
14,0 0,65 0,86 0,75 0,67 0,83 0,75
16,0 0,59 0,82 0,63 0,50 0,96 0,70
18,0 0,50 0,79 0,50 0,33 0,91 0,61
де: Нфг - фактичне значення г-го показника екологiчно! ефективностi; Нн2 - ввдповвдно нормативне, критичне або допустиме його значення, яке вiдповiдае .
Запропонований методичний пiдхiд та методика його реалiзацi! дае змогу пiдвищити загальну ефектив-нiсть функцюнування РЗС. Метод враховуе економiчнi та еколопчш вимоги через узгодження параметрiв рiв-ня конструктивно! та еколопчно! надшносп й, ввдпо-вiдно, вартосп з рiвнем створюваного загального ефек-ту прийнятих рiшень.
Результати дослщжень системноТ оптимiзацГi комплексу заходiв з шдвищення ефективностi фун-кцiонування РЗС. Як показують результати проведе-них дослвджень, визначальним режимним показником, який характеризуе фiльтрацiйнi процеси та необхщний рiвень промивностi на рисовому пол^ е швидк1сть вертикально! фшьтрацп. Оптимальнi параметри показника швидкостi вертикально! фшьтрацп обгрунтовано за еко-лого-мелюративним пiдходом на основi визначення показника еколопчно! надшносп за розглянутими формулами.
Для визначення оптимальних параметрiв швидкосп вертикально! фшьтрацп на рисовому чеку, яка ввдобра-жае одночасно режимний та технологiчний особливосп водорегулювання на РЗС, розглядали змшу цього показника в реальних умовах вш 0,5 до 18 мм/добу (рис. 1). Узагальнеш результати тако! оцiнки наведено в
табл. 2.
16
Наведет результати засвщчують, що в дослщжува-них умовах оптимальною швидшстю фшьтрацп, яка тдтверджуеться оцiнкою еколопчно! надiйностi kн = 0,8.0,87, е швидость V = 6.10 мм/добу. Така швид-шсть забезпечуе створення мiнiмально необхiдного промивного водного режиму, з яким пов'язане загалом ефективне функцiонування ПРЗС.
Отже, тд час обгрунтування у подальшому оптимальних параметрiв технологiчних i конструктивних рь шень за моделями оптимiзацп (1) та (2) в ролi еколопч-но! умови оптишзацд доцiльно розглядати обмеження, що швидшсть фшьтрацп приймае значення, наближенi до оптимальних, тобто V. ^ V". Розроблений для ПРЗС комплекс режимних, технологiчних та конструктивних ршень з пiдвищення ефективностi функцiонування систем мютить:
• заходи, що спрямоваш на пiдвищення дренованостi й ргвно-мiрностi фшьтрацп по площi та профiлю карти-чека на ос-новi глибокого розпушення;
• повторне використання дренажно-скидних вод (ДСВ) як складника еколопчно безпечно! технологи вирощування рису;
• промивку засолених Грунпв на фош глибокого розпушення;
• удосконалення конструкци рисових систем та штенсифжа-ц1ю роботи дренажу;
• захист дренажно-скидних каналiв вiд деформаций русла. Режимно-технолопчш заходи передбачають запро-
вадження розробленого й обгрунтованого ресурсоощад-ного режиму зрошення рису (рис. 2), що забезпечуе сприятливiшi умови вирощування та отримання вро-жайносп рису на р1вш 7... 10 т/га \ вище
1
од ■ а v
А к j т 111 111 к
Фази розвитку поив- сходи сходи- | кущшня- 1цвтн-кущшня трубкування ня дозр1вання
Рис. 2. Схема реалiзацi! ресурсоощадного режиму зрошення в разi поверхневого затоплення за фазами розвитку рису
Виконаш розрахунки з визначення оптимальних технолопчних параметрiв за економiчним критерiем ефективносп функцiонування РЗС показали, що оптимальною часткою рису в авозмгт е 5 = 50.60 %, а оптимальною зрошувальною нормою рису - М = 18 тис. м3/га, порiвняно з проектною Мпр = 25 тис. м3/га.
Оск1льки водоподача та водовiдведення на ПРЗС здшснюеться тiльки за допомогою насосних станцш, оптимальнi параметри водокористування тут забезпечу-ються вiдповiдними оптимальними параметрами енер-гокористування. Тому за оптимальною величиною зро-шувально! норми рису М°=18 тис. м3/га та вщповшним
1
сумарним об'емом перекачано'1 води Wn = 27,5 тис. м3/га, оптимальнi затрати електроенергп ста-новлять Q = 1,78 тис. кВттод/га.
Повторне використання ДСВ для зрошення рису та супутшх культур дае змогу виршити iншу гостру проблему, пов'язану з необхщнютю скиду ДСВ з рисово'' системи. Об'ем скиду становить 30... 70 % вщ об'ему водозабору на зрошення. Мшер^защя тако'' води, зазви-чай, невисока i знаходиться в межах вщ 0,5 до 3.5 г/л. Водночас ДСВ можуть бути важливим чинником збшь-шення площi зрошуваних земель без змши водозабору iз джерел зрошення та зниження споживання води на зрошення рису i супутшх культур.
Для повторного використання ДСВ рисових систем за умови розбавлення прюною водою у сшввщношенш 1:1 та 1:2 розроблено (Patent 115157 of Ukraine, IPC, 2017) та запропоновано конструктивы змши водозабiр-ного вузла насосно! станцп ПРЗС (рис. 3).
Рис. 3. Схеми подачi та вщводу води на ПРЗС: а - наявна; б -запропонована; 1 - насос; 2 - насосна станщя; 3 - смпгезатри-мувальна решiтка; 4 - шлюз; 5 - всмоктувальний трубопровiд; 6 - натрний трубопровiд; 7 - басейн для подачi ДСВ на зрошення; 8 - водозабiр для прюно! води; 9 - мапстральний тру-бопровiд; 10 - головний скидний канал; 11 - водозабiр ДСВ; 12 - басейн для накопичення ДСВ; 13 - засувка; 14 - аванкамера; 15 - низьконатрний трубопровiд
Проведен! дослщження на ПРЗС показали, що на те-риторп лише Кшшсько! РЗС (3,5 тис. га) можна вико-ристати для зрошення додатково до 15 млн м3 слабомь нерал1зованих ДСВ або вщповщно зменшити об'ем водозабору. Запровадження водооборотно! технологи во-докористування на ПРЗС з розбавленням ДСВ прюною водою у сшввщношенш 1:1 та 1:2 дае змогу отримати величину чистого прибутку вщ 27000 до 28000 грн/га вщповщно. При цьому економ1чно обгрунтованою зро-шувальною нормою рису також е норма М°=18 тис.
м3/га.
Наявний досвщ [ теоретичний анал1з свщчать, що ефективне регулювання водно-пов1тряного режиму грун^в за допомогою дренажу доцшьне та техшчно можливе у достатньо водопроникних грунтах (Кф > 0,5 м/добу). Стосовно грун^в рисових систем проблема збшьшення водопроникносл верхшх шар1в грунту е особливо актуальною. Внаслщок тривалого перезволо-ження водно-ф1зичш властивосп грунлв попршились настшьки, що останш стали своерщним водоупором. Тому, для забезпечення необхщного р1вня промивносл грунлв ПРЗС по площ! та профшю поливно'! карти про-понують, як ефективний агромелюративний захщ шд-вищення водопроникносл важких грунлв, проведення глибокого розпушення. У перюд вирощування рису по-передньо проведене розпушення грунту на рисовому пол! забезпечуе бшьш р1вном1рну фшьтрашю поливно'! води по плошд та проф!лю рисово! карти. Створюваш швидкост! е достатн!ми для винесення легкорозчинних солей з активного шару та покращення його кисневого режиму. А в пюляполивний осшнш перюд забезпе-чуеться швидке пониження РГВ (рис. 4), пришвидшен-
ня збирання врожаю та осшнього оброб!тку грунту.
40
35
ю
'«30 ¡25
0J
В 20
>>
о 15 к
S 10
о,
Е2 5
0
/! > —
l У
о
20
40 60 80 100 120 140 160 Вщстань м1ж дренами, B=2L, м Рис. 4. Залежшсть часу осушення (Н=1,5 м) ввд вщсташ м1ж дренами: 1 - без розпушення; 2 - несуцшьне розпушення; 3 -суцшьне розпушення
Так, за вщсташ мiж дренажними каналами 5=100 м осушення рисового поля на глибину 1,5 м тсля скиду води вщбуваеться за 28-30 дiб. У разi проведення несу-цiльного розпушення на фош дренажу з аналогiчними параметрами, зниження РГВ до тако'' глибини вщбу-ваеться за 23-25 дiб, а в разi суцiльного розпушення - за 16-18 дiб. Отже, вщстань мiж дренами в разi влашту-вання систематичного закритого дренажу на важких грунтах рисових систем завдяки проведенню перюдич-ного розпушення та штенсифшацп його роботи, можна збшьшити на 35.50 %.
Пщ час освоення нових територiй тд РЗС або пiсля тривалого вирощування супутшх культур може виник-нути потреба в штенсивному промиваннi засолених земель. Розроблено споаб промивання засолених земель рисових систем на фош глибокого розпушення (Patent 112204 of Ukraine, IPC, 2016). Перевагою запропонова-ного способу е рiвномiрне розсолення грунлв по профь лю та всш площi рисового поля та на бшьшу глибину, зменшення тривалосл промивання, швидке пониження рiвня грунтових вод у пiсляпромивний перюд.
Щодо конструкцп та оптимальних параметрiв дре-нажно-скидно'' мережi за розглянутими розробками, сформовано варiанти дослiджень, за якими було здшснено оптимiзацiю основних конструктивних еле-ментiв РЗС з урахуванням оптимальних параметрiв се-редньо'' швидкостi вертикально'' фшьтрацп на рисовому
чеку для встановленого оптимального показника частки рису в авозмш - 50. 60 %:
• варианта 1.3 - конструкция та параметри дренажу, зпдно з рекомендациями С. П. Мендуся (Mendus, 2016);
• варианта 4.8 - удосконалена конструкция дренажно-скид-но! мереж1 на картах-чеках шляхом улаштування пром^ж-них закритих дренажних колектор^в (рис. 5) (Patent 104000 of Ukraine, IPC, 2015);
• варианта 9.12 - конструкция та параметри наявно! дренаж-но-скидно1 мереж у вигляд1 в^дкритих каналв (Rokoc-hinskiy, Mendus, & Turcheniuk, 2016).
Рис. 5. Карта-чек широкого фронту затоплення, дооснащена закритою дреною-колектором: 1 - розподшьчий зрошувальний канал; 2 - зрошувач-скид; 3 - водовипуск у зрошувач-скид; 4 -водовипуск iз зрошувача-скиду; 5 - груповий скидний канал; 6 - картова дрена вщкритого типу; 7 - тдшрна споруда; 8 -закрита дрена-колектор; 9 - регуляцiйна споруда
Узагальнеш результати тако! оцiнки наведено в табл. 3.
Табл. 3. Основш результати оптим1зацшних розрахунк1в для ПРЗС щодо обгрунтування оптимальних параметр1в
Глибина за- Швидюсть вер- Показник приве-
Вартнт ПР Вщстань м1ж дре- лягання РГВ в осшньо-зи- тикально! фшьтрацп з по- дених витрат з урахуванням по-
нами, м мовии пер1- верхш рисового годно-клшатич-
од, м поля, мм/добу ного ризику
1 50 1,86 27,1 1,86
2 75 1,78 12,0 1,32
3 85 1,75 9,4 0,84
4 100 1,59 6,8 0,74
5 125 1,49 4,7 0,94
6 150 1,35 3,0 1,16
7 175 1,23 2,2 1,55
8 200 1,11 1,7 1,83
9 225 0,95 1,3 2,50
10 250 0,83 1,0 2,80
11 300 0,60 0,7 4,60
12 500 0,40 0,2 5,34
Наведенi результати засвiдчують, що економiчно вигiдний та екологiчно прийнятний варiант проектних рiшень щодо розрахунково! ввдсташ мiж дренажно-скидними каналами i додатковими закритими дренами-колекторами для умов ПРЗС е варiант з ввдстанню 100 м. Така мiждренна вiдстань, на вiдмiну вiд наявно! 200.500 м, забезпечуе створення та шдтримання на рисовому полi промивного водного режиму з оптимальною штенсившстю вертикально! фшьтрацп 6.10 мм/добу.
Обговорення результате дослщження, запрова-дження оптимвацпйного методу щодо ефективностi функцюнування РЗС. Дотепер у теорiï та практищ створення i функцiонування водогосподарсько-мелюра-тивних об'ектiв методи та моделi оптимiзацiï розгляда-ли та використовували в основному для обгрунтування
локальних одиничних рiшень. Переважно це стосува-лось окремих елементiв системи або режимiв чи техно-логiй водорегулювання, зокрема оптимальних парамет-рiв дренажу, мапстральних каналiв, режимiв зрошення тощо.
За результатами проведених теоретичних та експе-риментальних дослiджень удосконалено науковi тдхо-ди до системноï оптимiзацiï на еколого-економiчних засадах водо- та енергокористування на РЗС за р1знор1д-ними критерiями оптимiзацiï щодо рiзних рiвнiв прийняття в часi, якi грунтуються на системному роз-глядi рисовод' системи як складно1' природно-технiчноï еколого-економiчноï системи.
На основi системноï оптимiзацiï розроблено комплекс режимних, технолопчних та технiчних заходiв щодо необхщност й доцiльностi переходу вiд тради-цiйного ресурсозатратного на рацiональний та ресурсо-ощадний рiвнi водо- та енергокористування. Режимно-технологiчнi заходи передбачають повторне викорис-тання дренажно-скидних вод, застосування глибокого розпушення з використанням ввдповщних малоенерго-затратних насосних агрегапв, перiодичного промиван-ня засолених грунив на фонi глибокого розпушення. Конструктивш заходи передбачають дооснащення на-явноï вiдкритоï дренажно-скидноï мережi закритими дренами-колекторами, влаштування приук1сного дренажу для захисту дренажно-скидних каналiв вiд деформа-цiй русла. Цей комплекс заходiв спрямований на тдви-щення загальноï ефективностi функцiонування РЗС в1д-повщно до сучасних економiчних й еколопчних вимог.
Системна оптимiзацiя режимних, технолопчних i конструктивних рiшень на РЗС дае змогу тдвищити за-гальну ефективнiсть функцiонування. При цьому врахо-вують економiчнi та екологiчнi вимоги через узгоджен-ня параметрiв, рiвня конструктивноï та екологiчноï на-дшност й вiдповiдно вартостi цих ршень з рiвнем створюваного загального ефекту тд час реалiзацiï.
Висновки
1. Набули подальшого розвитку теоретичнi засади щодо системноï оптимiзацiï рiзнорiдних та взаемо-пов'язаних режимних, технологiчних i техшчних рь шень з водо- та енергокористування на функцюнальних РЗС як складних природно-технiчних еколого-еконо-мiчних системах. Цей пiдхiд забезпечуе комплексне оцшювання рiзних аспектiв функцiонування РЗС.
2. Удосконалено науково-методичш пiдходи до по-будови та реалiзацiï комплексних моделей оптимiзацiï з рiзнорiдними критерiями економiчноï й екологiчноï оптимальности Це дае змогу у взаемозв'язку оцшити за-гальну режимну, технолопчну та технiчну економiчну й еколопчну ефективнiсть функцiонування РЗС.
3. На основi системноï оптимiзацiï розроблено комплекс рiзнорiдних та взаемопов'язаних режимних, технолопчних i техшчних ршень, спрямованих на тдви-щення загальноï ефективностi функцiонування РЗС в1д-повщно до сучасних економiчних й еколопчних вимог, удосконалено методи обгрунтування параметрiв. Еко-номiя водних та енергетичних ресурав на РЗС стано-вить 20.50 %.
Перелж використаних джерел
Botes, J. H. F., Bosch, D. J., & Oosthuizen, L. K. (1996). A simulation and optimization approach for evaluating irrigation information.
Agricultural Systems, 51(2), 165-183.
Karuk, B. P. (1989). Environmental substantiation ofprojects of meliorative systems: Summary of lectures. Izd-e VIPK Minvodstroy USSR. 110 p.
Kovalchuk, P. I., & Michalska, T. O. (1994). System modeling for estimation of efficiency of resource-saving technologies of watering control. Reclamation and water economy, 81, 30-35.
Mendus, S. P. (2016). Measures to improve the efficiency of drainage work on rice systems. Bulletin of the National University of Water Management and Natural Resources, 2, 3-8.
Monaco, F., & Sali, G. (2018). How water amounts and management options drive Irrigation Water Productivity of rice. A multivariate analysis based on field experiment data. Agricultural Water Management, 195(1), 47-57.
Patent 104000 of Ukraine, IPC. (2015). E02V 13/00, E02V 11/00. Map-check of a rice system with a closed drain collector. A. Rokoc-hinskiy, V. Turcheniuk, S. Kropivko; owner of NUVGP. № 2015 06186; stated. June 23, 2015; Publications Jan 12, 2016, Bul. №1. 6 p. [in Ukrainian].
Patent 112204 of Ukraine, IPC. (2016). E02V 11/00. A method of washing saline rice systems. A. Rokochinsky, V. Turchenyuk, S. Mendus, N. Prikhodko; owner of NUVGP. No. 2016 05373; stated. May 18, 2016; Publications 12.12.2016, Byul. No. 23. 5 p. [in Ukrainian].
Patent 115157 of Ukraine, IPC. (2017). A.01G16/00, A.01G 25/16 (2016.01), A.01G27/00, E.02B 13/00. Rice irrigation system with
recyclable drainage and waste water. V. Turcheniuk, A. Rokoc-hinskiy, S. Kropivko; owner of NUVGP. Application No. U2016 08960; application dated 22.08.2016; Publications Apr 10, 2010, Bul. No. 7. 4 p. [in Ukrainian].
Paudyal, G. N., Pandit, D. S., & Goto, A. (1991). Optimization of design of on-farm channel network in an irrigation area. Irrigation and Drainage Systems, 5(4), 383-395.
Rokochinskiy, A., Mendus, S., & Turcheniuk, V. (2016). Substantiation of evaluation criteria for overall functioning efficiency of Ukrainian Danube rice irrigation systems. International Journal of New Economics and Social Sciences, 1(3), 154—161.
Soundharajan, B., & Sudheer, K. P. (2009). Deficit irrigation management for rice using crop growth simulation model in an optimization framework. Paddy and Water Environment, 7(2), 135—149.
Turchenyuk, V., Frolenkova, N., & Rokochinskiy, A. (2017). Environmental and economic foundations of system optimization of operational, technological and construction parameters of rice irrigation systems. Environmental Economics, 8(2), 76—82.
Van Niel, T. G., & Mc Vicar. T. R. (2004). Current and potential uses of optical remote sensing in rice-based irrigation systems: a review. Journal of Agricultural Research, 55(2). 155 p.
Yakuba, S. (2017). Parameters of Optimization of Rice Irrigation Systems for Ensuring Energy Safety of the Water Utility Complex of the Lower Kuban. Polytechnic Network Scientific Journal of the Kuban State Agrarian University, 34, 109—113.
В. А. Турченюк
Национальный университет водного хозяйства и природопользования, г. Ровно, Украина
УЛУЧШЕНИЕ ВОДО- И ЭНЕРГОПОЛЬЗОВАНИЯ НА РИСОВЫХ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
Разработан и предложен метод системной оптимизации для улучшения водо- и энергопользования при функционировании рисовых оросительных систем (РОС). Сформулированы подходы к выбору критериев и условий экономической и экологической оптимизации при построении комплексных оптимизационных моделей в проектах их реконструкции и эксплуатации. Научно обоснована совокупность разнородных и взаимозависимых показателей (глубина уровней грунтовых вод в межвегетационный период - для риса и в вегетационный период - для сопутствующих культур, минерализация грунтовых вод, длительность периода со стоянием уровня грунтовых вод ниже критической глубины, степень засоления активного слоя почвы, скорость фильтрации из поверхности рисового чека, оросительная норма риса, общий объем перекачанной воды) как критериев оценивания общей эффективности водо- и энергопользования на действующих РОС. На основе системной оптимизации разработан комплекс разнородных и взаимозависимых режимных, технологических и технических решений, направленных на повышение общей эффективности функционирования РОС в соответствии с современными экономическими и экологическими требованиями, усовершенствованы методы обоснования параметров. Экономия водных и энергетических ресурсов на РОС составляет 20... 50 %.
Ключевые слова: системная оптимизация; водо- и энергосбережение; рисовая оросительная система; эколого-экономи-ческий эффект.
V. A. Turcheniuk
National University of Water Management and Natural Resources, Rivne, Ukraine
IMPROVEMENT OF WATER AND ENERGY USE ON RICE IRRIGATION SYSTEMS
Taking into consideration scientific research and engineering materials which embrace half century period and reflect weather-climatic changes, mode-technological and socio-economic conditions on acting rice irrigation systems in Ukraine, theoretical foundations as for systemic optimization of varied and interrelated mode, technological and technical solutions of water and energy management on acting rice irrigation systems received future development; number of indexes as estimated criteria of their general efficiency and their parameters considering nature-ameliorative changing conditions in fixed time periods and possible efficiency levels was scientifically determined; character and contact level among them were established. Based on systemic optimization series of interrelated modes, technological and technical measures as for necessity and expediency of trans-passing from traditional resource-cost to rational resource-saving level of water and energy management, re -usage of drainage-waste waters, performing deep earth loosening with improved low-cost techniques, periodic saline soils flushing including deep soil loosening, upgrading existing open drainage-waste network on close drain-collectors, arrangement off-cannel drainage system to protect drainage-waste cannels from their route deviation were worked out. These measures are directed on rising general efficiency of acting rice irrigation systems considering modern economic and ecologic requirements. Sustainable mode methods were improved. Scientific approaches to systemic optimization based on ecology-economic measures of general nature-amelioration mode of rice systems, technological and technical solutions of water and energy management which sustain it in various criteria in different time levels based on systemic observation of rice systems as a complex nature-technical ecology-economic system were upgraded. On ecology-economic principles general notions formation and implementation of systemic optimization complex models which are interrelated with regime, technology and constructive water and energy management solutions on rice irrigation systems for a long term period were worked out. Optimal parameters of various indexes: mode (speed filtration), technological (irrigated rice standard, rice quota in crop rotation, dilution degree of reused drainage-waste waters) and constructive solutions (construction and drainage parameters of check-maps including deep earth loosening) for the developed complex of measures to increase efficiency of acting rice systems were substantiated.
Keywords: systematic optimization; water and energy management; rice irrigation system; ecology-economic effect.
