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: у1=20м, у5=100м, у10=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 м3/с (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 м3/с 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 ситуаций 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.-168с.

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.