Watering_RSC_DP30. Распределение воды по с/х культурам во внутрихозяйственной оросительной сети. Критерий равномерного распределения. Перепланирование расписания по факту. Месяц по суткам. - Aleph-cube Platform: AGI Modeling & Optimizing Solver

Особенности Области

Динамическая задача водораспределения по с/х культурам для внутрихозяйственной оросительной сети

Объект управления включает узел — головное сооружение, находящееся на магистральном или межхозяйственном канале, а также одно или несколько «ответвлений». Ответвление представляет собой внутрихозяйственную оросительную сеть, предназначенную для распределения воды между определенными с/х культурами.

В качестве периода управления принимается весь вегетационный период или его часть. Период управления делится на K равных интервалов дискретного времени k=1,2,…,K.

Ставится задача: распределить некоторый объем воды между выращиваемыми в данном хозяйстве культурами по интервалам времени с целью рационального использования водных ресурсов. Таким образом, в задаче определяются объемы и сроки потребления воды каждой с/х культурой в каждом интервале времени (межбригадные каналы в данной постановке задачи не учитываются). Кроме того, определяется потребление воды нарастающим итогом в зависимости от времени как для каждой культуры в отдельности, так и для «ответвлений», и для всего хозяйства в целом. В задаче учитываются:

• суммарный объем потребления воды за весь период управления (заданный или ограниченный);

• расход воды в каждом интервале времени (ограниченный пропускной способностью канала и потребностями соседних хозяйств);

• нормы полива каждой с/х культуры с учетом уклона по трассе каналов, вида почвы, фазы развития культуры (всходы, цветение, бутонизация, созревание) и других факторов;

• ограничения на уровень воды во внутрихозяйственных каналах;

• обязательные сроки и объемы водопотребления в некоторых интервалах времени и другие условия.

Примечание. Далее приведено описание технологического оборудования и процессов для общего знакомства с данной предметной областью, ее понятиями и используемыми терминами. Как профессиональным технологам, так и имеющим общее представление о данной предмете это описание рекомендуется пропустить.

Подробное описание

подробнее…

Предлагается математическая модель водораспределения в виде нелинейной несепарабельной задачи оптимального управления в дискретном времени. Управляющими воздействиями служат булевы переменные, индицирующие включение/отключение режимов работы выпусков и режимов водопотребления каждой культуры в k-ом интервале времени. Перечисленные выше условия формализуются как фазовые ограничения и ограничения на область управления. Предложенный метод иллюстрируется на примере колхоза имени Кирова Тедженского района Туркменистана.

Работа [1] носит теоретический характер и включает обширный обзор.

Рассматриваются методы оптимального распределения водных ресурсов в условиях их дефицита при эксплуатации оросительных (мелиоративных) систем в районах орошения — в условиях орошаемого земледелия.

Приводится пример выбора оптимального режима орошения в условиях дефицита оросительной воды с учетом складывающейся погодной и хозяйственной обстановки.

Элементы системы — сельскохозяйственные (с/х) и водохозяйственные (в/х):

• потребители оросительной воды и производители с/х продукции

• хозяйства, производственные коллективы: отделения (бригады) колхозов и совхозов, с/х предприятия (колхозы и совхозы)

• распределители (поставщики) оросительной воды — управления оросительных систем (УОС) разных уровней (районные, областные, бассейновые), управления каналами, водохранилищами и другими гидротехническими сооружениями.

Мелиоративная оросительная система включает: орошаемые поля (ОП) с имеющимися на них посевами и поливной техникой; оросительную сеть (ОС) с гидротехническими сооружениями для забора, подъема, транспортировки, распределения водных ресурсов меду потребителями и измерения воды. Предполагается наличие одного или нескольких источников водных ресурсов. ОС включает главный (магистральный) канал, систему межхозяйственных распределителей разных порядков (уровней), систему хозяйственных и внутри хозяйственных каналов.

Кроме того, ОС включает сбросные каналы, закольцовывающие ОС, позволяющие отводить неиспользованную оросительную воду обратно в водоисточник, и коллекторно-дренажную сеть, обеспечиваюую своевременный отвод грунтовых вод в орошаемый канал и предотвращающую вторичное засоление земель.

Ставится задача оптимального управления водораспределением на оросительных системах с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Первая часть посвящена формализации задачи планирования водораспределения в орошении. Учитываются заказы на водные ресурсы; неравномерная потребность земель в оросительной воде в связи с изменчивостью исходных влагозапасов в почве и погодных условий вегетационного периода.

Поля — конечные емкости (с.11).

Предлагается многоуровневая структура системы управления водораспределением:

задача оперативного планирования водораспределения — определение потоков из узлов ОС с распределением их по всем ОП для любого периода времени;

задача оперативного управления водораспределением — управление исполнительными устройствами в узлах ОС для реализации решения предыдущей задачи (в [1] не рассматривается); связана с недетерминированностью с/х производства, требуется частая корректировка водораспределения в период вегетации растений на основе данных, поступающих с каждого ОП.

Параметры:

• объем производства продукции;

• потребности каждой подсистемы в воде — заказ на водные ресурсы;

• оросительные нормы воды для нескольких режимов орошения (водопотребления) — полная, ущемленная и др. нормы;

Критерий:

• прибыль — от закупочных цен, затрат на производство;

Следующая задача м.б. одно- или многопродуктовая.

Выпуск максимального объема с/х продукции при ограниченном водном ресурсе (оптимальное распределение ресурса); переменные: объем произведенной i-ым хозяйством продукции (пропорционален посевной площади под культуру), объем воды, поданной для полива i-му хозяйству за вегетацию воды.

Известна «производственная функция» (с.44): объем произведенной продукции от объема поданной воды и посевной площади.

Пункт I.3.2. с.53: Формализация задачи оперативного планирования водораспределения

Задача решается по частям отдельно для каждого уровня: поле — бригада — колхоз — водохозяйственные организации и др. Имея фиксированный объем воды на самом высшем уровне, конкретизируем сверху вниз.

Дерево: промежуточные узлы — распределительные, листья — потребители (ОП — бригада), дуга — соподчиненность, поток — объем воды, выделенной верхним узлом нижнему.

Чистый доход, получаемый на k-ом поле

цена единицы продукции на k-ом поле

площадь k-го поля

количество продукции с единицы площади k-го поля

затраты на производство продукции на k-ом поле (рабочее время + удобрения + объем поданной воды + техника)

режимы орошения k-го поля

суммарный объем воды, распределяемой на k-ом поле за вегетационный период

Итак, получили оптимальные режимы и нормы орошения.

Знание режимов орошения на всех полях позволяет составлять планы распределения потоков (расходов) воды на весь период вегетации или оставшуюся его часть. Составление календарного плана распределения водных ресурсов (расходов) производится до начала вегетации на весь период. Оперативные планы пересчитываются каждую декаду (неделю) при возмущениях и отклонениях. <Учитываются потери расхода воды на пути от узла к узлу - "коэффициенты отбора" (МЫ)>. [1,с.58].

Такой подход правомерен только для оросительных систем со стационарной поливной техникой (дождевальной, капельной, внутрипочвенной) при условии, что подводящая распределительная оросительная сеть может обеспечить по пропускной способности одновременную работу всех подвешенных к ней поливных участков. Обычно одна дождевальная машина или одно звено поливальщиков (при поверхностном самотечном поливе) обслуживает несколько поливных участков, т.е. может потребоваться одновременный полив одной машиной нескольких участков, что невозможно. В этом случае нужно укомплектовать графики полива всех поливных участков, связанных единым технологическим процессом (поливной и почвообрабатывающей техникой), что приведет к смещению режимов орошения на некоторых поливных участках, т.е. к установлению очередности полива и отклонению от оптимальных графиков. Процедура укомплектования графиков полива не рассматривается, т.к. она весьма специфична и требует специального исследования [1,с.59].

Укомплектовав графики полива, получим расходы по каждому участку. Аналогично суммируются расходы воды с учетом потерь по всем уровням иерархии, начиная снизу. Дойдя до верхнего уровня, получим расход — водозабор из водохранилища в магистральный канал через головное водозаборное сооружение. Также вычисляются расходы во всех узлах вододеления по всем уровням иерархии. Итак, оперативный план водораспределения в оросительной системе составлен.

Таким образом, процедура оперативного планирования по оптимальному распределению водных ресурсов включает два этапа:

1) распределение объемов воды между поливными участками для определения оптимальных режимов орошения каждого участка

2) определение расходов воды во всех точках вододеления (с учетом потерь), обеспечивающих выполнение принятых на каждом участке режимов орошения (может решаться и без первой задачи оптимизации режимов).

Заменив оптимальный способ определения графиков полива другим способом (например, по методу водного баланса), можно свести задачу к известным (МЫ: потоки, ЛП).

Результаты оперативного планирования водораспределения служат исходными данными для задач оперативного управления потоками в каналах, которые являются самостоятельной сложной проблемой, выходящей за пределы данной монографии (с.60).

В [2] нормы и режимы полива зависят от:

Почвы:

1 — песчаные, супесчаные, легкие суглинки;

2 — средние, тяжелые суглинки, глина;

Глубина залегания грунтовых вод 1-3м.

Засоленность почвы

Периоды:

предпахотный 21.10-20.11 (хлопчатник)

предпосевной 1.03-25.03

приживной подпитывающий 25.02-15.04 (овощи)

зимний влагонакопительный 10.11-20.01 (сады)

1-8 вегетационный 11.05-20.09

Культуры: хлопчатник, люцерна, озимые зерновые, яровые, колосовые, зернобобовые, кукуруза и сорго, ранние овощи (капуста, корнеплоды, огурцы, картофель), поздние овощи (те же), долгосрочные овощные (баклажаны, помидоры, перцы, лук), бахчи поливные, сады косточковые, семечковые, плодоносящие, сады косточковые, семечковые, неплодоносящие, виноградники плодоносящие, виноградники молодые, питомники плодовые, школка виноградная, шелковица.

кратко

Особенности Объекта

подробнее…

Особенности — отрицательные штрафы за переналадки — максимизируем переключения вариантов для наиболее равномерного распределения воды.

Схема Объекта

Рисунок Общий вид потоковой схемы объекта «с именами»

Рисунок. Фрагмент потоковой схемы объекта «со стрелками»

кратко

Особенности Решения S.Watering_RSC_DP30.

Особенности Задачи

подробнее…

Задаются ограничения на нижнюю и верхнюю границы промежуточных емкостей, соответствующие ограничениям на объемы каналов для орошения.

Для установок, моделирующие орошение желательно равномерное орошение культур, которое достигается частой сменой объекта орошения и канала для орошения.

Задаются фрагменты графика распределения воды по каналам.

Критерий задачи – минимум потерь от переключений. Потери от переключений имеют отрицательное значение. Таким образом, критерий максимизирует число переключений.

кратко

Исходные данные

подробнее…

Распределение воды по каналам