Оптимальное управление режимом грунтовых вод на основе инвариантной нестационарной математической модели польдерных систем

• Автор: Бобарыкин, Николай Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Калининград
• Количество страниц: 310 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.

Глава 1. Анализ методов математического моделирования ПС

на практике их эксплуатации и проектирования

1.1. Структура, состав и функциональное назначение польдерных систем эксплуатируемых в Калининградской области.

1.2. Критерии формирования стока.

1.3. Основные задачи гидрологических расчетов, направленные

на формирование эффективного РУКС почвы

1.4. Водобалансовые расчеты мелиоративных систем.

1 .4. 1. Методика расчета уровневого режима грунтовых вод.

1.4.2. Начальные и граничные условия для расчета РУКС почвы.

1.4.3. Значения уровней грунтовых вод и влагозапасов в зоне аэрации почвы на начало весеннего периода.
1.5. Выводы и рекомендации по разработке инвариантной математической модели ПС и управления РУКС почвы.
Глава 2. Численные методы решения нелинейных дифференциальных
уравнений и оценка их применимости.
2. 1. Методы решения одномерных дифференциальных уравнений.
2.1.1. Численное решение параболических уравнений на основе консервативных разностных схем.
2.1.2. Численное решение скалярного гиперболического уравнение.
2.1.3. Численное решение системы гиперболических уравнений
2.2. Разностные схемы решения дифференциальных уравнений повышенного порядка точности.
2.2.1. Алгоритм численного решения двухмерного дифференциального уравнения фильтрации воды.
2.2.2. Алгоритм численного решения скалярного обыкновен
ного дифференциального уравнения.
2.2.3. Алгоритм численного решения системы обыкновенных дифференциальных уравнений для трехпозвонкового комплекса
2.2.4. Алгоритм численного решения гиперболического скалярного дифференциального уравнения
2.2.5. Алгоритм численного решения гиперболической системы дифференциальных уравнений.
2.3. Выводы и рекомендации по использованию разностных схем первого порядка точности
Глава 3. Состав и структура инвариантной трехмерной нестационарной математической модели ПС и управлении РУКС почвы
3.1. Обоснование единой методологии математического моделирование польдерных систем
3.2. Состав и структура ИТНММ ПС и управления РУКС почвы III
3. 3. Стратегии управления УГВ и РУКС почвы .
3. 4. Моделирующая система дифференциальных уравнений
3. 5. Начальные и граничные условия для моделирующей
системы уравнений.
3. 6. Интерпретатор полученных результатов
3. 7. Выводы
Глава 4. Моделирование уровневого режима воды в сети проводящих
каналов реальных польдерных систем
4. 1. Алгоритм численного решения уравнений СенВенана
основанный на законе сохранения потоков воды в СПОК ПС
4. 2. Расчет параметров СПОК реальных ПС
4. 3. Расчет параметров СПОК ПС с учетом рельефа местности
4.4. Выводы.
Глава 5. Расчет уровнсвого режима грунтовых вод в осушаемых
массивах реальных польдерных систем с учетом дренажа.
5.1. Моделирование УГВ в осушаемых массивах на базе
решения двумерного уравнения Буссинеска.
5.1.1. Алгоритм численного решения двумерного уравнения Буссинсска, основанный на разностных схемах второго
порядка точности
5.1.2. Результаты численных расчетов УГВ.
5. 2. Расчет УГВ с учетом дренажа и заданием граничных условий
в области сопряжения проводящей сети с осушаемым массивом
5.2.1. Алгоритм численного решения уравнений напорного
и безнапорного переноса воды в дренажных трубах.
5.2.2. Результаты численных расчетов УГВ с учетом дрен.
5.3. Моделирование УГВ реальных польдерных систем.
5. 4. Выводы.
Глава 6. Оптимальное управление РУКС почвы ОМ при учете потоков влаги от УГВ, испарения, транспирации и выпадающих атмосферных осадков.
6. 1. Моделирование процесса влагообмена в зоне аэрации почвы
на основе уравнения капиллярного потенциала влаги.
6. 1.1. Начальные и граничные условия.
6. 1.2. Алгоритм численного решения уравнения капиллярного
потенциала влаги
6. 1.3. Результаты численных расчетов капиллярного потенциала и потоков влаги в зоне аэрации почвы
6.2. Управление режимом увлажнения корнеобитаемого слоя.
6.3. Расчет потока влаги от грунтовых вод с учетом поверхностного испарения, транспирации и атмосферных осадков.
6.4. Расчет сезонных потоков влаги от грунтовых вод с учетом
поверхностного испарения и транспирации
6. 5. Результаты и выводы
Глава 7. Эксплуатация и проектирования совершенных конструкций ПС на основе ИТНММ ПС и управления РУКС почвы
7.1. Общий алгоритм расчета оптимального режима увлажнения корнеобитаемого слоя почвы
7.2. Проектирования совершенных польдерных систем на основе стратегии оптимального управления УГВ с варьированием значений геометрических параметров ПС
7.2.1. Оценочные значения функциональных ограничений
7.2.2. Критерии качества управления уровневым режимом грунтовых вод.
7.2.3. Результаты численных расчетов оптимальных значений геометрических параметров ПС
7.3. Эксплуатация действующих польдерных систем на основе стратегии оптимального управления УГВ.
7.3.1. Выбор стратеши управления УГВ для действующих С.
7.3.2. Оценочные значения функциональных ограничений
7.3.3. Результаты численных расчетов для штатных ситуаций оптимального режима функционирования насосной станции
7.3.4. Результаты численных расчетов для нештатных ситуаций оптимального режима функционирования насосной станции
при выпадающих атмосферных осадках
7.4. Выводы.
Заключение
Библиографический список использованной литературы
Приложения. Акты об использовании результатов работы
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Автоматизация насосных станций позволяет в ряде случаев упорядочить их работу и обеспечить нужные режимы осушения, необходимые для вегетации растений. По характеру и степени влияния на природнохозяйственный комплекс, польдерные мелиоративные системы и гидротехнические сооружения являются важнейшим средаобразующим фактором, а также фактором жизнеобеспечения сельхозяйственных культур. Польдерные системы для осушаемых земельных массивов формируют элементарные участки, сток с которых происходит через регулируемую систему каналов и дрен. Затем обеспечивается непрерывный сток по системе проводящих каналов в центральные магистрали, по ним в водоприемник. Вели значительная часть заболоченного водосбора покрыта сетью проводящих каналов и дренами, то условия формирования стока существенно изменяются. Наблюдения показывают, что в одних и тех же природных условиях и при одинаковом метеорологическом режиме сток формируется поразному7 в зависимости от глубины каналов, густоты осушительной сети и интенсивности осушения. ЦП 1. Показатель интенсивности осушения , формирующий сток, определяется следующим образом
я,6р 1. Ь расстояние между открытыми каналами 0 Ь 0, м. Коэффициент потенциала проводимости диффузия влаги в зоне аэрации определяет свойство почвы фунта зоны аэрации, служит коэффициентом пропорциональности между плотностью потока влаги и фадиентом влажности. Согласно работ для торфяных почв значение коэффициента фильтрации К приближено равно 5. В средняя ширина водосбора, м. Па первых этапах развития работ по осушению избыточно увлажненных земель проектирование водного режима ограничивалось определением условий пропуска единичных расходов в руслах рек и каналов, соответствующих экстремальным ординатам гидрографа максимумы половодий и паводков, сток на начало сева. Для условий осушительных каналов и регулируемых водоприемников требуется уточнение методов расчета модулей стока. Изменения водного режима на мелиорируемой территории в той или иной мере влияет на гидрологические процессы па водосборе. Эти изменения необходимо учитывать при проектировании будущего уровневого режима вод. Отметим, что так же необходимо решать задачу уточнения расчетных значений стока применительно к особенностям мелиоративных объектов с учетом антропогенных факторов. Основной характеристикой водного режима осушаемых земель долгое время считалось только распределение уровня фунтовых вод. Оптимальные значения уровней при норме осушения установлены детальными исследованиями в области сельскохозяйственной мелиорации. Однако режим уровней фунтовых вод на осушаемой территории не може т однозначно определяться гидрологическим режимом в осушительной сети. Только во время избыточного увлажнения обильными осадками, когда аккумулирующая емкость и регулирующая роль зоны аэрации мала, значительное влияние оказывает осушительная сеть. Режим грунтовых вод нужно рассчитывать и прогнозировать по всем приходным и расходным элементам водного баланса с учетом осушительного действия сети. Норма осушения за теплый период года не может быть обоснованно определена без учета влагообмена в зоне аэрации. В связи с этим в задачу гидрологических расчетов входит определение нормативных характеристик по всем приходным и расходным элементам водного баланса суммарное испарение, осадки, интенсивность влагообмена в зоне аэрации и уровень фунтовых вод. Предлагаемые в известных нормативах средние за вегетацию или стабильные нормы осушения не могут служить расчетной характеристикой при проектировании. Многочисленные наблюдения показывают, что при одном и том же среднем за вегетацию УГВ наблюдается различный внутри сезонный ход уровней в том числе и неблагоприятный для сельскохозяйственных культур, когда за отдельные интервалы времени УГВ значительно отклоняется от оптимального значения и при проектировании не оценивается. Это можно иллюстрировать материалами наблюдений на осушенных болотах рис. В гг. По если в г. Даже при низких осредненных за сезон УГВ, равных см ,, в апреле и первой декаде мая г. Еще большая неравномерность УГВ в сезонном ходе наблюдается в и гг. Нср см.