CC BY
2Такой сошник, несмотря на то, что он обеспечивает уплотнение дна бо розды, имеет недостатки, присущие килевидному сошнику т. е, забивается рас тительными остатками и не обеспечивает равномерность заделки семян по глу бине.
То же самое можно сказать и о сошнике Г.Л. Сороки, предложенный в 1986 г. (рис. 8).
Рисунок 8 - Сошник Г.А. Сороки: 1 - килевидный уплотнитель дна борозды; 2 - двухдисковый сошник
Наиболее предпочтительным по нашему мнению является сошник в виде катка, который имеет по периферии узкий клиновидный обод.
Такая форма позволяет сошнику легко входить в почву и уплотнять дно борозды. Бороздообразо-вание с помощью катка с клиновидным ободом позволяет сохранить в конструкции преимущества, при сущие сошникам качения, эффективность работы при наличии в почве растительных остатков. Одновременно метод выпрессовыва-ния создает борозду с плотным дном и восстанавливает капиллярный подток влаги к семенам в рых лом посевном слое. Большая опорная поверхность бороздообразующего катка, по сравнению с дисковыми сошниками, обеспечивает устойчивость его хода по глубине.
Литература
1. Фирсов М.М., Черемухин А.И. Основные тенденции и прогнозирование развития машин для растениеводства // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2002. - № 3. - С. 36-39.
2. Лобушко Н.И., Эволинский В.К. Зерновые сеялки на рубеже XXI века. // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2001. - № 2. - С. 4-7.
3. Каскулов М.Х. К вопросу работы лапы сошника для безрядкового посева // Труды ВИСХОМ. - М., 1973. - В. 75. Исследование технологических процессов и рабочих органов посевных машин. - С. 94-101.
УДК 631.6
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ВОПРОСАХ ОХРАНЫ И МЕЛИОРАЦИИ ПРИРОДНЫХ ЛАНДШАФТОВ
Хаширова Т. Ю., доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет имени X. М. Бербекова»
APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY IN THE PROTECTION
OF NATURAL LANDSCAPES
Hashirova T. YU., Doctor of Technical Sciences, Professor
FSBEIHPE «Kabardino-Balkarian State University»
Предлагается имитационная модель по управлению твердым стоком на горных и предгорных ландшафтах. Объектами исследования были определены природно-техногенные комплексы природо-обустройства. Предметом исследования являются закономерности влияния техногенного блока управления на природный процесс движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах.
Ключевые слова: имитационная модель, твердый сток, горный ландшафт
The simulation model is offered on hard sewer management on mountain landscape. The objects of the study were determined natural-technical complexes. The subject of the study are a regularities of the influence this controller on natural process of the moving the hard sewer on mountain landscape.
Key words: simulation model, hard sewer, mountain landscape.
Изучение природно-техногенных комплексов должно проходить с учетом их сложности, чувствительности и адаптивности к экзогенным воздействиям. Для этого производится анализ и описание работы систем в целом, анализ особенностей всех взаимосвязей и внутреннего строения. Это означает, что необходимо учесть взаимосвязь отдельных элементов исследуемой системы как структурных частей сложной системы и заявить роль каждого из элементов в общем процессе функционирования всей системы. Это изучение наиболее эффективно можно провести с позиций системного анализа. При системном подходе используются математический аппарат теории исследования операций и методы неформального анализа, такие как метод опроса, эвристические методы, машинная имитация. Важной частью исследования является выбор способа описания происходящих в них изменений [1] и формализация такого описания, которая осложняется сочетанием разнотипных факторов, характеризующих систему (сочетание экологических, экономических и других факторов). В нашем случае для анализа природно-техногенных комплексов используется метод имитационного моделирования, который благодаря своей универсальности позволяет наиболее полно использовать теоретические и экспериментальные результаты. Важной чертой метода является и то, что имитационное моделирование, позволяющее проводить эксперименты с математическими моделями, описывающими изучаемую систему, дает возможность исследовать адекватные, близкие к реальности математические модели сложных систем.
Целью данного исследования было создание имитационной модели по управлению твердым стоком на горных и предгорных ландшафтах. Объектами исследования были определены при-родно-техногенные комплексы природообустрой-ства. Предметом исследования являются закономерности влияния техногенного блока управления на природный процесс движения твердого стока на горных и предгорных ландшафтах.
Природно-техногенный комплекс (горные и предгорные ландшафты на территории Кабардино-Балкарской республики) рассматривали в однородных гидрологических районах, с этой целью вся территория республики делится на районы (камеры) по водосборам рек Малка, Бак-сан, Чегем, Черек, Урух, Терек с учетом климатических особенностей (рис. 1).
Горная часть республики (камеры 1, 2, 3, 4) находится в зоне достаточного увлажнения. Среднегодовое количество осадков здесь колеблется от 550 мм до 880 мм. До высоты 200 м над
уровнем моря горные почвы используются для земледелия. Камеры 5, 6, 7 расположены в предгорной зоне, характеризующейся волнистым рельефом. Количество выпадающих здесь осадков меньше, чем в горной зоне и составляет 460615 мм в год.
Рельеф степной зоны (камеры 8, 9) более гладкий. Климатические условия характеризуются недостаточным увлажнением с неравномерным распределением осадков по периодам. Среднегодовое количество осадков составляет 425-500 мм.
Карта рои* | Табми |
Рисунок 1 - Горные и предгорные ландшафты на территории Кабардино-Балкарской республики
Рисунок 2 - Граф связей камер горных и предгорных участков бассейна р. Терек
Все камеры связаны между собой только через русловые потоки рек и имеют только один выход, связывающий их с нижележащими камерами. В соответствии с разбиением региона на камеры строится ориентированный граф связей (рис. 2), вершинами которого являются камеры,
Камеры группы »11
(предгорная часть р. Унта!
а дуги соответствуют перетокам воды из вышележащих камер в нижележащие.
Представленная в работе имитационная модель имеет блочную структуру, дающую возможность описывать каждый моделируемый объект с помощью того математического аппарата, который наиболее адекватен характеру процесса. При разработке системы имитационных моделей формирования твердого стока на горных и предгорных ландшафтах в качестве водного объекта была выбрана река, относительно которой были сделаны некоторые предположения. Река условно разделена на камеры (районы), однородные по гидрологическому режиму. Камеры сообщаются по руслу реки, т. е. камеры имеют только один вход и один выход, оросительные системы, входящие в состав водохозяйственной системы, заключены каждая в одну камеру. Условная схема разбиения реки представлена на рис. 3.
1-1
1+1
Рисунок 3 - Условная схема разбиения реки на камеры
собираемая информация такой шаг моделирования полностью обеспечивает. На первом шаге работы системы определяются объемы воды в каждой камере, в качестве которых берут сред-немноголетнее значение этой величины.
На каждом шаге задаются значения гидрометеорологических факторов: температуры воздуха и осадков. Для расчета объема твердого стока предназначен блок «Твердый сток». Входными параметрами в этом блоке являются объем воды в камере в данный момент времени и количество твердого стока.
1
2
3
п
Рисунок 4 - Алгоритм модели
Имитационная модель реки дискретизирова-на по времени и по событиям. В блоках, дискре-тизированных по времени, моделируется состояние системы (притоки, расходы, требования) в последовательных временных интервалах. В предлагаемой модели временной шаг принят равным месяцу, поскольку регулярно
Рисунок 5 - Окно разбиения р. Терек на камеры
Рисунок 6 - Гидрограф р. Терек
Блок «Расход»
В этом блоке определяется объем >й камеры в момент времени t на основе уравнения водного баланса [2, 3]:
V(t,i)=V(t- 1,!)+м0-1) V(t,i-1V(t- +S(t)
(1)
где:
V(t,i) - объем воды в >ой камере в момент времени ^
- коэффициент уклона 1-ой камеры;
Q(t) - количество осадков, выпавших в момент времени 1;;
Б^) - величина поверхностного стока в момент времени 1.
Поступление воды в первую камеру генерируется на основе многолетних данных.
Блок «Осадки»
В этом блоке величина генерируется на основе многолетних данных, эта величина измеряется в миллиметрах. Искомая эмпирическая формула имеет вид:
Q(t)=-1,94t2+25,24 ^16,27, (2)
где:
Q и t - осадки и временной шаг соответственно.
Блок «Температура»
В этом блоке величина генерируется на основе многолетних данных, эта величина измеряется в градусах.
Искомая эмпирическая формула имеет вид:
Щ=-0,85 I2+11,77^20,969, (3)
где:
Т и t - температура и временной шаг соответственно.
Блок «Твердый сток»
В этом блоке формируются, определяются значения твердого стока Б^). Этот параметр также измеряется в н/м3.
Донные наносы на горных и предгорных реках при определенных значениях скоростей начинают перемещаться. В силу этого умение определять возможный сток и режим наносов имеет большое практическое значение для рационального проектирования и природопользования.
Для определения расхода донных наносов может использоваться методика, предложенная Я.И. Никитиным [1]. Предлагаемая методика является результатом обобщения материалов исследований Среднеазиатского научно -исследовательского института ирригации по расходу стока донных наносов на реках Средней Азии. Реки Средней Азии по своим условиям аналогичны рекам КБР, что позволяет при отсутствии собственных исследований использовать этот богатый материал.
Обобщение материала этих исследований показывает, что наиболее устойчивой является зависимость расхода донных наносов от расхода воды и уклона. Расход донных наносов можно выразить зависимостью:
о=к (д - да)"
(4)
где:
коэффициент расхода к увеличивается с увеличением уклона реки I, а показатель степени остается постоянным п = 2 .
Рисунок 7 - Распределение осадков во времени
Рисунок 8 - График формирования и движения твердого стока во времени
Характер изменения коэффициента расхода наносов К от уклона представлен Я.И. Никитиным в таблице 1.
Аналитически это изменение, в общем, довольно хорошо выражается следующим уравнением:
К = 530/
2,2
(5)
Таблица 1 - Характер изменения коэффициента расхода наносов К от уклона
/ 0,00075 0,001 0,004 0,005 0,01 0,02
к 0,000063 0,00011 0,0032 0,005 0,019 0,055
Подставляя это значение К в уравнение (4), получится зависимость расхода донных наносов в секунду от расхода воды в следующем виде:
G = 530/2,2Q-Q0)3 ,
(6)
где:
G - расход донных наносов по сечению русла в кг/с;
/ - средний уклон реки;
Q - расход воды в м3/с;
Q0 - расход воды, при котором движение донных наносов только начинается.
Расход воды Q0 определяется по данным наблюдений, проведенных САНИИ ирригации на реках Средней Азии, согласно которым отношение этого расхода к максимальному наблюдаемому расходу реки практически остается постоянной величиной для всех рек, т.е.
Qo = 0,1- QMaKC . (7)
По данным наблюдений делается вывод, что независимо от величины начального расхода воды, уклона и крупности наносов средняя скорость течения воды, при которой начинается движение донных наносов, практически остается постоянной, т.е. V0 = const = 1,30 м/с.
Это обстоятельство связано с неоднородностью состава наносов в предгорных условиях. Если при однородном составе наносов связь между предельной скоростью и началом движения наносов еще можно установить на основе известных в литературе методов, то при смешанном естественном составе наносов такую связь установить трудно, так как движение наносов в этом случае происходит в зависимости от увеличения скорости: сначала приходят в движение мелкие частицы, а затем - последовательно более крупные, кончая булыжниками [7]. При средней скорости около 1,30 м/с движения донных наносов практически не происходит, за исключением небольшого количества мелкого песка. Поэтому песчаные фракции учитывались поправкой, вносимой в замеренные расходы наносов на основе сопоставления механического состава проб наносов, уловленных прибором, с пробами из наносных отложений в русле реки.
Таким образом, в практических расчетах для приближенного определения расхода, при котором начинается движение донных наносов, можно пользоваться кроме зависимости (6) также и зависимостью этого расхода от начальной средней скорости течения воды, принимая ее равной около 1,30м3/с.
Величина уклона, входящего в уравнение (5), определяется обычным способом по данным то-
пографических съемок или специальных наблюдений [6, 7]. Если такие данные отсутствуют, то величина среднего уклона может быть приближенно определена по средней крупности наносов, слагающих русло реки по установленной нами на основе тех же наблюдений зависимости:
dCp = 6000/ . ср
(8)
где:
d - средний диаметр наносов в мм; I - уклон.
Средний диаметр наносов определяется по данным механического состава по формуле:
I d о Р0
d ср =-
100
(9)
где:
Р0 - процент содержания фракций в пробе;
d о - средний диаметр фракций в мм.
Зная расход наносов и график изменения расхода, нетрудно подсчитать годовой сток донных наносов и установить его режим в течение года. Для большинства рек КБР, имеющих паводковые пики расходов воды, сток донных наносов практически сосредотачивается на коротком периоде этих паводков. Часто годовой сток наносов проходит за 1 -3 месяца, а иногда и за более короткие сроки. Из наблюдений известно, что при одном и том же расходе воды в реке могут быть различные расходы наносов, в зависимости от фазы паводка: при нарастании паводка расход наносов больше (так как за предшествующий период отложились более мелкие фракции), при спаде паводка - меньше (так как более мелкие фракции унесены потоком, и русло выложено более крупными фракциями).
Зная расходы рек в паводковые периоды, можно прогнозировать расходы твердого стока на различных реках, а имея данные по морфологическим характеристикам русел рек, - и возможные места их осаждения.
Блок «Качество воды»
В этом блоке рассчитывается комплексная оценка качества воды, разработанная Гурари-ем В.И. и Шайн А.С. [63]. Ими предложена комплексная оценка качества воды на основе общесанитарного индекса, названного индексом качества воды, включающего 10 показателей, и индекса загрязненности, учитывающего одновременное присутствие в воде вредных веществ.
Качество I воды в районе (камере) вычисляется по формуле:
( п \
/ =
i=1
Zг г -Щ -П^' ,Уг ) >
(10)
г=1
где:
щ е[1;5], (1= Гд0),
уI - весовой коэффициент 1-го показателя (значения этого показателя определяются экспертами). Для у^ должно выполняться условие:
п
Ху = 1; Ф - штрафная функция
г=1
Фг = ф0г ,7г ) = <
где:
7i_ _
7k 2 1,0,- > 3
f
+
1 -
h.
7k
0 < 3
(11)
Ук - относительный вес колли-индекса
(Ук = тах{у}, I = 1,5).
Разработанная модель по управлению твердым стоком может быть использована для исследовательских целей, а также в качестве демонстрационной в учебном процессе для студентов соответствующих специальностей.
Литература
1. Хаширова Т.Ю. Охрана горных и предгорных ландшафтов управлением твердого стока -Нальчик: «Полиграфсервис и Т», 2007. - 220 с.
2. Горстко А.Б. Математическое моделирование и проблемы использования водных ресурсов. - Ростов-н/Д: Изд-во РГУ, 1976.
3. Гурарий В.И., Шайн А.С. Комплексная оценка качества воды //Проблемы охраны вод. -Харьков. - 1975. - Вып. 6. - С.143-151.
4. Хаширова Т.Ю. Имитационное моделирование сложных систем: Методические указания по дисциплине «Имитационное моделирование сложных систем» - Нальчик: КБГУ, 1996. - 16 с.
5. Хаширова Т.Ю., Ермолаева Е.К. Имитационная модель комплексной оценки качества природных вод // Вестник Кабардино-Балкарского государственного университета. Серия «Физико-математические науки». - Нальчик: КБГУ, 1996. - Выпуск 1.
6. Хаширова Т.Ю. Некоторые аспекты математического моделирования экологических систем // Материалы юбилейной конференции, посвященной 20-летию КБГСХА. - Нальчик. -2001. - С. 102-103.
7. Хаширова Т.Ю. Способ определения расхода наносов и их очистки на реках Кабардино-Балкарской республики // Вопросы повышения эффективности строительства (выпуск 2). -Нальчик. - 2004. - С. 132-134.
