При отсутствии теоретических разработок, методик и работоспособных алгоритмов оптимального управления РУКС, основанных на модельных расчетах, а также стратегии управления УГВ, требуется создание новых концепций и постановок задачи трехмерного моделирования ПС и управления РУКС почвы осушаемых земель.

Для реализации решения данной проблемы необходимо провести анализ и обобщить опыт моделирования отдельных задач в процессе эксплуатации и конструирования мелиоративных систем, сформулировать интегральную постановку задачи математического моделирования ПС с единых позиций, где каждая прикладная задача рассматривается как частный случай общего подхода, разработать эффективные методы ее численного решения в малоисследованной области многокритериальных задач, включающих нелинейные нестационарные одномерные и двухмерные дифференциальные уравнения гидродинамики, нелинейные алгебраические соотношения и системы неравенств.

Решению данных актуальных задач и посвящена настоящая диссертационная работа.

Объектом исследования являются польдерные системы, состоящие из сетей проводящих открытых каналов с откачивающими насосными станциями, осуществляющими отвод воды с осушаемых массивов и, тем самым, управляя уровнем грунтовых вод УГВ ? Нор, обеспечивая эффективный режим увлажнения корнеобитаемого слоя почвы мелиорированных земель.

Предметом исследования являются методы системного анализа конструкций и технологий ПС; методы и алгоритмы численного расчета уровневого режима в СПОК, автоматически учитывающие баланс потоков воды в каналах, основанные на системе дифференциальных уравнений Сен-Венана с естественными начальными и граничными условиями; методы и алгоритмы численного решения двумерного уравнения Буссинеска, описывающего пространственно-временное распределение УГВ в осушаемых массивах; методы и алгоритмы численного расчета потоков воды в дренажных системах; методы и алгоритмы численного расчета влагообмена в зоне аэрации описываемого уравнением капиллярного потенциала влаги; стратегия и алгоритмы оптимального управления УГВ, включая целевые функции и функциональные ограничения параметров технологических процессов; выбор и реализация эффективных методов многокритериальной скалярной и векторной оптимизации; информационное обеспечение; реализованная интегральная структура математического моделирования ПС и управления РУКС.

Цель работы состоит в создании научно-обоснованной интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС (ИТНММ ПС) и управления РУКС почвы мелиорированных земель на основе стратегии управления УГВ, обеспечивающей энергосбережение, высокую эффективность вегетации сельскохозяйственных культур и минимизацию материальных и трудовых затрат при проектировании, строительстве и эксплуатации польдерных систем. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- анализ существующих технологий и теоретических работ по проектированию, эксплуатации и математическому моделированию польдерных систем с целью выработка научно-обоснованных решений для построения трехмерной математической нестационарной инвариантной модели ПС и управления УГВ, РУКС; разработка ее методологии, состава и структуры;

- разработка алгоритмов численного расчета потоков влаги от грунтовых вод с учетом испарения с поверхности почвы, транспирации растений и выпадающих осадков, основанных на численном решении дифференциальных уравнений капиллярного потенциала почвы и теплового баланса, обеспечивающих оптимальный режим увлажнения в корнеобитаемом слое мелиорированных почв;

- разработка вектора целевых функций, имеющего следующие компоненты: интенсивность снижения уровня грунтовых вод (ИС УГВ), время снижения уровня грунтовых вод (ВС УГВ); равномерность распределения УГВ (РР УГВ); исследование и выбор функциональных ограничений параметров технологического процесса; разработка стратегии оптимального управления УГВ: ИС УГВ ? max, BC УГВ ? min и РР УГВ ? min при выполнении функциональных ограничений параметров технологического процесса; выбор эффективных методов многокритериальной скалярной и векторной оптимизации;

- декомпозиция исходной постановки задачи моделирования СПОК на подзадачи с последующим синтезом системы разрешающих дифференциальных уравнений, осуществляемым на ребрах направленного графа, с заданием граничных условий в вершинах графа;

- построение алгоритма численного решения системы дифференциальных уравнений Сен-Венана, описывающих уровневый режим в СПОК, для которого автоматически выполняется закон сохранения потока воды в точках ветвления проводящих каналов;

- моделирование динамики УГВ и РУКС почвы ПС, основанного на двухмерном уравнении Буссинеска, дифференциальном уравнении переноса воды в ДТ и трехмерном уравнении для капиллярного потенциала влаги, при задании естественных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы;

- разработка экономичных алгоритмов, основанных на консервативных и эффективных разностных схемах, численного решения нелинейных дифференциальных уравнений для дренажных систем, капиллярного потенциала влаги и уровня грунтовых вод в ОМ;

- разработка алгоритма интерпретатора полученных результатов расчета параметров ПС, преобразующего их из ЛСК в ОСК ПС;

- разработка алгоритмов, основанных на консервативных и эффективных разностных схемах повышенного порядка точности, численного решения дифференциальных уравнений в обыкновенных и частных производных параболического и гиперболического типов, необходимых для тестирования и выверки применимости более экономных разностных схем первого порядка.

Методы исследования. В работе используются методы теории оптимального управления, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статистики, теории и практики математического моделирование сложных инженерно-технологических систем, численные методы решения нелинейных дифференциальных уравнений гидродинамики и теории фильтрации жидкостей через пористые структуры, методы решения оптимизационных многокритериальных задач, теория графов.

При моделировании и управлении РУКС почвы польдерная система представляется в виде множеств пассивных, активных элементов и точек соединений проводящих каналов, на которые накладывается структура направленного графа, соответствующая расчетной схеме ПС. Каждый элемент множеств получает свое математическое описание в рамках теории гидродинамики течений (фильтрации) жидкости.

Синтез разрешающей системы моделирующих уравнений, описывающих динамику воды в СПОК с соответствующими начальными условиями, осуществляется на ребрах, а формирование граничных условий, выражающих законы сохранения расхода воды, в вершинах графа ПС, которые являются условиями «сшивания» системы моделирующих уравнений вдоль ветвей обхода графа ПС. Производительность активных элементов – насосных станций, при их наличии в ветвях графа ПС, используется в качестве соответствующих граничных условий.

Моделирование режима УГВ и РУКС почвы ОМ, прилегающих к СПОК, основывается на численном решении двухмерного уравнения Буссинеска, трехмерного уравнения для капиллярного потенциала и задании естественных граничных условий взаимодействия СПОК и ОМ. При наличии дренажных систем к указанной системе дифференциальных уравнений подключается и дифференциальное уравнение переноса воды в ДТ. Таким образом, задача моделирования РУКС почвы сводится к решению трехмерной нестационарной задачи, в которой пространственно - временное распределение УГВ вычисляются в горизонтальных, а потоков влаги U- в вертикальных плоскостях.

Для численного интегрирования системы дифференциальных уравнений Сен-Венана вдоль ветвей обхода графа ПС с учетом сохранения расхода воды в точках соединения каналов, указанная система уравнений приводилась к каноническому виду. А алгоритм численного решения строился при введении новых прогоночных соотношений, учитывающих число обхода каждого проводящего канала, что автоматически обеспечивает выполнение закона сохранения потоков в точках ветвления каналов. Численные решения остальных уравнений в частных производных строились на основе консервативных разностных схем с первым порядком точности по времени и вторым - по координатам, а также проводились итерации по нелинейности и связанности дифференциальных уравнений.

Стратегия управления РУКС почвы мелиорированных земель определяется управлением потоком влаги U(Нор, h) ? Umax, при t ? min и учете технологических ограничений, в процессе которого уровень грунтовых вод Н?Нор (критерий управления уровнем грунтовых вод УГВ?Нор) и высота корнеобитаемого слоя h ? hор. Вектор целевых функций для управления УГВ формируются из трех компонент – интенсивности снижения уровня грунтовых вод, времени снижения УГВ до определенного значения и равномерности распределения УГВ.

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 учитываются технологические ограничения.

При эксплуатации существующих ПС управление УГВ сводится к подбору оптимальной производительности насосных станций и их режимов работы. А при проектировании новых польдерных систем, кроме управления насосными станциями, осуществляется еще и подбор оптимальных значений геометрических параметров проводящих каналов, дрен, глубины их закладки и т.д. Методы и алгоритмы скалярной и векторной многокритериальной оптимизации выбирались из библиотеки математического обеспечения пакета прикладных программ MATHCAD.

Математическое моделирование проводилось на персональном компьютере Pentium IV – 1700 c использованием среды MATHCAD, при этом программное обеспечение расчетов ПС разработано на структурно-блочном алгоритмическом языке данной системы.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждается сопоставительным анализом между уже существующими и разработанными математическими моделями и методами, а также итогами практического использования интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и алгоритмов управления УГВ и РУКС в ОМ при эксплуатации существующих и проектировании новых польдерных систем.

Созданная научно-обоснованная интегральная трехмерная нестационарная математическая модель ПС и управления РУКС, базируется на положениях теории гидродинамических и фильтрационных течений жидкости, системного анализа конструкций и технологий польдерных систем, математической статистики, теории и практики управления и математического моделирования, сложных инженерно-технологических систем, численных методов решения нелинейных дифференциальных уравнений, теории направленных графов, методов теории оптимального управления.

Достоверность практических и теоретических разработок ИТНММ ПС и управления РУКС почвы ПС подтверждается результатами многочисленных численных экспериментов по расчету параметров СПОК и ПС в целом, а также оптимальному управлению УГВ и РУКС в ОМ и сравнения с их натурными значениями и характерными временами управления. Все разработанные алгоритмы численного решения дифференциальных уравнений тестировались на многочисленных соответствующих тестовых задачах.

На защиту выносятся результаты проведенных численных исследований по проектированию совершенных (оптимальных) конструкций ПС и эксплуатации существующих польдерных систем в штатных и нештатных ситуациях в режиме оптимального управления УГВ, выполненных на основе созданной научно-обоснованной интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управление РУКС почвы мелиорированных земель, построенной на единой методологии моделирования ПС, учитывающей водообмен на границе между сетью проводящих каналов и осушаемых массивов, а также принципы и методы разработки этой модели и стратегии управления УГВ и РУКС, в том числе:

- обоснованы и сформулированы функциональные ограничения параметров технологического процесса увлажнения корнеобитаемого слоя на основе учета факторов, дестабилизирующих вегетацию растений, а также компоненты вектора целевых функций, характеризующего качества ПС, стратегия оптимального управления уровнем грунтовых вод и РУКС, обеспечивающая энергосбережение и оптимальную эффективность вегетации растений, методология, состав и структура интегральной трехмерной нестационарной математической модели ПС и условия практического использования математического аппарата теории гидродинамических (фильтрационных) течений жидкости и капиллярного потенциала влагопереноса, позволяющего однозначно описывать трехмерное пространственно-временное распределение воды и влаги в сети проводящих открытых каналов и осушаемых массивах;

- разработка программного и информационного обеспечения научно-обоснованной ИТНММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, позволяющей решать конкретные задачи 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;

- 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;

- результаты 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;

- результаты разработки алгоритмов и программного обеспечения расчетов 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; решения вопросов математического моделирования сезонных потоков влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения и транспирации влаги;

- алгоритм расчета оптимальной вегетации сельскохозяйственных культур; формирование целевой функции для потока влаги U(Н, h) и функциональных ограничения параметров, дестабилизирующих вегетацию растений; построение стратегии управления РУКС;

- реализация разработанных алгоритмических средств управления РУКС и УГВ с учетом технологических ограничений в виде программного комплекса; реализация алгоритмов оптимального управления режимом грунтовых вод с учетом выпадающих атмосферных осадков;

- результаты разработки алгоритма расчета реальных польдерных систем, основанного на преобразовании параметров ПС, вычисленных в локальных системах координат, связанных с проводящими каналами, в общую систему координат ПС;

- 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;

- разработка научно-технических рекомендаций по конструированию и эксплуатации польдерных систем в режиме оптимального управления уровнем грунтовых вод, обеспечивающих энергосбережение и высокую эффективность вегетации растений.

Научная новизна полученных результатов определяется проведенными комплексными исследованиями, в результате которых вместо применения отдельных математических моделей, разработанных для индивидуальных вариантов расчетов параметров ПС, применена созданная научно-обоснованная ИТНММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, основанная на единой методологии моделирования ПС при задании естественных граничных условий: а) взаимодействия СПОК с ОМ; б) влагообмена между УГВ и корнеобитаемым слоем почвы. ИТНММ ПС обеспечивает сокращения время на решение конкретных задач моделирования и управления ПС при одновременном повышении качества полученных результатов (энергосбережение ресурсов, высокую эффективность вегетации сельскохозяйственных культур и минимизацию материальных и трудовых затрат при проектировании, строительстве и эксплуатации польдерных систем), в ходе которых:

- определен состав и структура задач, подлежащих решению при реализации ИТНММ ПС и управления РУКС почвы мелиорированных земель, по схеме - УГВ ? Нор - U ? Umax, при t ? min и технологических ограничений; разработана иерархическая структура ИТНММ ПС и управления УГВ и РУКС, основанная на применении математического аппарата теории гидродинамических (фильтрационных) течений жидкости и капиллярного потенциала влагопереноса, позволяющего однозначно описывать трехмерное пространственно-временное распределение воды и влаги;