Создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве

Развитие сельского хозяйства в значительной мере зависит от состояния и функционирования водохозяйственного комплекса, надежности обеспечения сельского населения и предприятий отрасли водой необходимого количества и качества [1,2].

Агропромышленный комплекс (АПК) России в целом является крупнейшим социально-экономическим сектором народного хозяйства. В АПК производится около трети валового общественного продукта, сосредоточено более 30% численности работников, занятых в материальной сфере, и четверть основных фондов, обеспечивающих производство более 70% потребительских товаров для населения и сельскохозяйственного сырья для 60 отраслей перерабатывающей промышленности.

Эффективность функционирования отрасли сельскохозяйственного производства оказывает решающее влияние на здоровье и качество жизни населения, экологическую, продовольственную безопасность и состояние экономики России в целом.

Вода применяется во всех отраслях сельскохозяйственного производства, причем как составляющая многих технологических процессов, она используется, чуть ли не во всех операциях.

Если рассматривать количественную сторону водообеспечения, то наибольшие объемы воды используются в водных мелиорациях при орошении. В мире 70% общего объема отбора пресной воды применяется для орошения 17% посевной площади.

Важнейшими объектами водообеспечения села являются потребители воды социально-бытовой категории, которая наиболее чувствительна к перебоям в подаче, недостатку воды и ее качеству.

В России насчитывается более 150 тысяч сельских поселений, в которых проживает около 40 млн. чел. Из них централизованным водоснабжением охвачено 73 тысяч поселений, где проживает 25,4 млн. чел., что составляет 64% сельских жителей. Более 30% сельского населения пользуется водой из шахтных и мелкотрубчатых колодцев, открытых водоемов, родников и привозной водой в объеме 130 тысяч куб. м. Из общего количества систем централизованного водоснабжения 61,3 тыс.(66%) нуждаются в реконструкции, 9,5 тыс. (11%) — в восстановлении. Пятая часть (10,5 тыс.) поверхностных и подземных источников централизованного питьевого водоснабжения страны не отвечает санитарным нормам и правилам [1,2].

Технический уровень локальных систем невысокий: из 180 тыс. буровых скважин для воды 45% эксплуатируются более 20 лет и имеют износ, близкий к критическому уровню. Большинство скважин не отвечают сани-тарно-техническим требованиям эксплуатации, около 40% находятся в нерабочем состоянии. Профилактическое техобслуживание уступило место аварийным ремонтам, затраты на которые в несколько раз превышают стоимость периодического технического обслуживания. Техника и технология строительства и эксплуатации водопроводных сетей и сооружений устарела. Удельный расход электроэнергии на подъем воды велик и превышает 0,9 кВт-ч/м, что свидетельствует о низкой эффективности эксплуатации сооружений водоснабжения. Износ групповых водопроводов составляет 60.70%. Более 10 тыс. км магистральных водопроводов из стальных труб требуют санации или замены.

Изношенность систем водообеспечения является главной причиной загрязнения питьевой воды [1,2].

Например, башни Рожновского, разработанные более полувека назад, имеют изношенные корпуса, изъеденные коррозией, у некоторых устарел фундамент, и они заваливаются. Они негерметичны и не обеспечивает экологической безопасности. Кроме того, их работоспособность вследствие отсутствия утепления и обогрева в зимнее время неудовлетворительна: в условиях России они часто замерзают, превращаясь в ледяные столбы, что полностью нарушает водоснабжение.

В производственной сфере основными потребителями воды являются мелиоративные системы растениеводства и системы водоснабжения животноводческих ферм и комплексов.

В этих системах, независимо от сфер применения, насосное оборудование является основным элементом технологических схем водообеспечения и потребителем электроэнергии в них (до 90%). Оно в совокупности с другими элементами (трубопроводами, арматурой, средствами управления и защиты электродвигателей и других приводных механизмов) применяется для транспортировки воды, повышения давления и обеспечения её циркуляции.

Ввиду общей структурной специфики обоих систем им присущи одни и те же недостатки, которые приводят к значительным ущербам (таблица 1).

Таблица 1 — Недостатки существующих систем водообеспечения объектов производственной сферы сельского хозяйства и причиняемые ими ущербы.

Недостатки Величина ущерба.

Низкое качество проектных и строительно-монтажных работ. Перерасход 20−30% электроэнергии и капвложений, износ оборудования.

Отсутствие учета и контроля подачи и потребления воды. Потеря более 30% воды и перерасход электроэнергии.

Отсутствие автоматики и средств защиты электродвигателей насосов. Перерасход электроэнергии, сокращение срока службы насосов.

Неправильный подбор и установка насосного оборудования. Перерасход электроэнергии до 30%, сокращение срока службы насосов в 1,5−2 раза.

Несвоевременный ремонт сети Водопотери достигают 50%.

Невыполнение регламентных работ по регенерации фильтров скважин. Снижение удельного дебита, перерасход электроэнергии до 20%.

Отсутствие санитарных зон скважин, водонапорных башен, колонок. Загрязнение окружающей среды, заболеваемость людей.

Отсутствие сооружений водо-подготовки. Рост заболеваемости людей, износ оборудования, потери сельхозпродукции.

Наибольшие объемы воды используются в водных мелиорациях: в мире 70% общего объема отбора пресной воды применяется для орошения 17% посевной площади. В этих системах насосное оборудование также является основным элементом технологических схем водообеспечения и потребителем 90% электроэнергии. Отсутствие средств управления и средств защиты электродвигателей насосов, неправильный подбор и установка насосного оборудования приводят к перерасходу электроэнергии до 30%, сокращению срока службы насосов в 1,5−2 раза. В результате несвоевременного ремонта сети водопотери достигают 50%. Износ напорных гидротехнических сооружений в Ставропольском крае составляет 50−100%, Краснодарском крае — 5070%, в республиках Дагестан и Северная Осетия-Алания — около 60%, Республике Адыгея — 76−100% .

Приборным учетом практически не охвачены забор, подача и распределение воды по потребителям, что не позволяет объективно оценивать водо-потребление и потери воды, которые могут достигать 20−60% общего объема ее подачи [1,2].

Вместе с тем водопотребление воды растет год от года. Общая потребность АПК в водных ресурсах к 2020 г. составит 40 км³ в год.

Если отмеченные выше недостатки не будут устранены, то проблемы водообеспечения сельского хозяйства станут критическими.

В этом случае к 2020 году средний износ оборудования станций и сетей в сельских поселениях достигнет 70%. Около 50% населения страны будут пить воду не гарантированного качества, и не будет иметь информацию о качестве потребляемой им питьевой воды, ее соответствия гигиеническим требованиям. Продолжительность жизни населения не будет увеличиваться за счет обеспечения каждого жителя безопасной питьевой водой. Усилится зависимость от импорта зарубежного оборудования, проектирование станций будет вестись на основе зарубежных технологий и проектных решений. Сократится уровень развития прикладной науки в области водоснабжения и водоотведения. Не будет обеспечено техническое перевооружение и реконструкции отрасли, сокращение удельных расходов и потерь воды, уменьшение сбросов сточных вод и выбросов загрязняющих веществ. В 1,5 раза увеличится потребление энергетических ресурсов в результате увеличения потерь в процессе производства и доставки питьевой воды потребителям. Значительно ухудшится экологическое состояние источников питьевого водоснабжения и территорий субъектов Российской Федерации [3].

Современная профессиональная терминология, используя понятие «водопользование» в обобщенном смысле, подразумевает все виды прямого или опосредованного взаимодействия человека и воды. Так статья 38 Водного кодекса Российской Федерации подразделяет способы использования водных ресурсов следующим образом [4]:

— водопользование с забором водных ресурсов из водных объектов при условии возврата воды в водные объекты;

— водопользование с забором водных ресурсов из водных объектов без возврата воды в водные объекты;

— водопользование без забора водных ресурсов из водных объектов.

Настоящие исследования касаются первого способа водопользования, поскольку они проведены в сфере сельского хозяйства, где вода после использования практически вся возвращается в водные объекты. И возвращается уже в ином качестве. Ведь «водопотребление в действительности является водозагрязнением: в результате вода не перестает существовать, она сохраняется, но неизбежно загрязняется и загрязняет окружающую среду» [5].

В связи с этим рассмотрение вопросов водопользования в сельском хозяйстве стало актуальным именно с позиции экосистемного подхода.

Экосистема — сообщество организмов, существующих в физической среде, объединенных с ней и между собой потоками вещества и энергии.

Биогеоценозы образуют цепи питания, в которых трансформируется вещество и энергия на каждом трофическом уровне.

Функционирование всей сложной экосистемы в целом уравновешено по принципу самоорганизации открытых диссипативных систем. Необоснованное вмешательство в эти сложно уравновешенные природные процессы может нарушить функционирование всей экосистемы в целом, её равновесие.

Вода, объединяющая гидросферу, литосферу, атмосферу и биосферу, проникает во все уровни экологической системы, что, в конечном счете, определяет экосистемность водопользования. Являясь важнейшей составной частью экосистемы, вода во многом определяют её свойства, структуру и экологическое равновесие.

В настоящее время вода подвергается нарастающему техногенному воздействию. Это проявляется, прежде всего, в сельском хозяйстве страны при её загрязнении инсектицидами, пестицидами и агрохимикатами, навозными стоками, нефтепродуктами и другими отходами хозяйственной деятельности.

Таким образом, состояние систем водообеспечения в России, особенно в сельских поселениях, характеризуется:

— неудовлетворительным санитарным состоянием источников питьевого водоснабжения села, вызванным высоким уровнем износа объектов и сооружений водообеспечения, технологической отсталостью их оборудования, нарушением экологии;

— неэффективным использованием природных водных ресурсов, высокими потерями воды и электрической энергии в процессе ее добычи, транспортировки и потребления;

— отсутствием экосистемного подхода при проектировании и эксплуатации объектов водообеспечения и водопользования в сельском хозяйстве.

Основные причины неудовлетворительного состояния водообеспече-ния сельского хозяйства выявлены и подтверждены фактическим материалом и показателями, приведенными в [1,2,6,7,8].

Таким образом, на сегодняшний день имеется множество свидетельств того, что система сельскохозяйственного водоснабжения находится в критическом состоянии и характеризуется огромными потерями электроэнергии и воды, а также большим числом аварий.

В силу актуальности проблема водообеспечения сельского хозяйства в последние годы решается на государственном уровне. Правительством Российской Федерации в августе 2009 года принято решение о реализации «Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 года», в котором Министерству сельского хозяйства РФ предлагается принять её к реализации, доработав применительно к своей отрасли [7].

Реализацию «Водной стратегии агропромышленного комплекса России на период до 2020 года» намечается провести в два этапа [1,6]. На первом этапе намечено восстановление, реконструкция, модернизация и строительство новых водохозяйственных систем, в том числе оросительных, проведение фундаментальных и прикладных научных исследований, разработка и внедрение научного обеспечения инновационного развития водохозяйственного комплекса.

На втором этапе — продолжение модернизации и строительства новых водохозяйственных, в том числе оросительных и осушительных системдальнейшее развитие и внедрение результатов научных исследований, инновационных научно-технических и технологических разработок.

В стратегии определены цели и задачи её реализации.

Целью развития водохозяйственного комплекса сельского хозяйства является удовлетворение потребностей сельского населения в качественных водных ресурсах на основе сбалансированного решения социальноэкономических проблем, сохранения благоприятной окружающей среды и природно-ресурсного потенциала.

В соответствии со стратегической целью основными задачами развития водохозяйственного комплекса села являются:

— гарантированное обеспечение сельского населения питьевой водой нормативного качества и развитие сельскохозяйственного водоснабжения;

— повышение эффективности использования подземных вод;

— восстановление и развитие орошаемого земледелия;

— создание и освоение инновационных технологий водосбережения, энергосбережения, водоподготовки;

— развитие системы мониторинга водохозяйственных, в том числе оросительных систем, контроля и учета используемой воды;

— развитие водохозяйственной техники, технологий, информационно-аналитического обеспечения;

— формирование нормативно правовой, научно-методической основы инновационного развития водохозяйственного комплекса.

Для достижения стратегической цели и решения поставленных задач определены следующие принципы: принцип экосистемности, отвечающий экологическим требованиям и ограничениям нарушения равновесия сложившихся экосистемпринцип оптимальности технических и технологических решений, отражающий переход на новые экологически безопасные и экономически эффективные водохозяйственные системы, технологии и конструкции.

Последний принцип отражает переход на новые экологически безопасные и экономически эффективные водохозяйственные системы, технологии и конструкции, обеспечивающие водосбережение, защиту наземных и водных экосистем от загрязнения и деградации, что можно обеспечить путем создания и использования управляемых технических систем водообеспечения и водопользования.

Водная стратегия АПК предусматривает достижение цели на основе проведения фундаментальных и прикладных научных исследований, включающих:

— методологические, нормативные и технологические основы экоси-стемного водопользования;

— научное, нормативно-методическое, техническое и технологическое обеспечение устойчивого развития водопользования в АПК на основе повышения эффективности использования подземных вод для питьевых целей.

Поэтому обоснование закономерностей функционирования и создание технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве является актуальной проблемой для сельскохозяйственной науки и аграрной практики и соответствует целям реформирования агропромышленного комплекса страны.

Связь работы с государственными программами и планами.

Работа выполнялась:

• в соответствии с Программами фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития агропромышленного комплекса Российской Федерации на 1996;2000, 2001;2005 и 2006;2010 гг. по заданиям плана фундаментальных и прикладных исследований ВИЭСХ Россельхозакадемии:

— 05.1.04.01. «Разработка и практическая реализация автоматизированных и инфокоммуникационных систем управления электрифицированным сельскохозяйственным водоснабжением» (1996;2000 гг.);

— 03.02.09.03. «Разработать автоматизированные установки сельскохозяйственного водоснабжения для станций второго подъема с использованием погружных электронасосов гильзового исполнения и современных методов регулирования производительности» (2001;2005 гг.);

— 09.02.06.04.01. «Разработать опытные образцы насосных станций очистки и подачи воды контейнерного типа заводской готовности с автоматизированной прямоточной технологической схемой для водоснабжения ферм и Л поселков производительностью до 300 м /сутки, обеспечивающие снижение эксплуатационных затрат, затрат на материалоемкость и массу, снижение энергозатрат» (2006;2010 гг.).

• в соответствии с государственными контрактами № 1450/13 от 12.11.04 года, № 1450/14 от 12.11.04 года, № 1450/15 от 12.11.04 года по темам: о «Подготовка технических заданий на разработку:

— строительной части для станции подготовки и подачи воды заводской готовности контейнерного типа для прямоточной (безбашенной) сис.

3 3 темы водоснабжения производительностью 24 м /сут., 60 м /сут.;

— оборудования подготовки воды для станций производительнол л стью 24 м /сут., 60 /сут;

— электрооборудования и средств автоматизации технологического о т процесса для станций производительностью 24 м /сут., 60 м /сут." — о «Разработка конструкторской документации на изготовление павильонов контейнерного типа для станций подготовки и подачи воды.

3 3 производительностью 24 м /сут., 60 м /сут." — о «Разработка конструкторской документации на электрооборудование и средства автоматизации станции подготовки и подачи воды контейнерного типа:

— производительностью 24 м /сут. с установленной мощностью от 0,75 до 1,1 кВт;

— производительностью 60 м3/сут. с установленной мощностью от 1,1 до 1,5 кВт".

Объект исследований: технологии и технические средства водообес-печения объектов социально-бытовой, животноводческой и растениеводческой категорий сельского хозяйства.

Предмет исследований: закономерности функционирования, методы построения и оптимизации параметров технологических процессов и технических средств нового поколения для экологически безопасных систем водопользования в сельском хозяйстве.

Научная проблема сформулирована как исследование закономерностей функционирования технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве для модернизации объектов сельского хозяйства.

Цель исследований — оптимизация параметров технологических процессов и технических средств и создание интеллектуальных систем водопользования для модернизации объектов сельского хозяйства на принципах их экосистемности.

Задачи исследований:

1. Обобщить и систематизировать базовые режимы функционирования систем водообеспечения и водопотребления сельскохозяйственных объектов.

2. Разработать вероятностную модель случайных потоков водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей.

3. Обосновать закономерности функционирования элементов технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве.

4. Разработать методологию проектирования технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве, включая:

— определение основных характеристик электронасосов при их работе в различных системах (без противодавления и с противодавлением) — методики:

— построения вероятностной модели системы водопотребления;

— определения энергопотребления насоса при случайном расходе;

— выбора электронасосов и компоновки насосных станций.

5. Разработать принципы построения объектов водопользования в сельском хозяйстве.

6. Проверить в производственных условиях и дать оценку эффективности новых систем водопользования в сельском хозяйстве.

Методы исследований:

• системный анализ технологической и технической базы водо-обеспечения с.-х. объектов;

• теория самоорганизации — синергетика и принцип энергетической экстремальности самоорганизации;

• фрактальный анализ, теория фазовых траекторий и агрегирования квазициклов ряда, теория неравновесных динамических систем и фазовых переходов для количественной оценки и прогноза случайных режимов водо-потребления и эксэргетический анализ для оценки уровня потребления воды растением;

• математическое моделирование и вычислительный эксперимент, в том числе и в программе Excel, совместно с теорией информации;

• теория электропривода и общий закон оптимального управления напряжением;

• методика математического планирования многофакторного эксперимента;

• теории вероятности и математической статистики, включая оценку соответствия параметров потоков t-распределению Стьюдента, а также с использованием критериев Кохрена и Пирсона при проверке достоверности результатов исследований;

• производственная проверка и оценка эффективности разработанных технологий и новых технических средств.

Научную новизну результатов исследований составляют: 1. Впервые выявлены, обобщены и систематизированы взаимосвязанные базовые режимы по условиям экологичного, отвечающего экологическим требованиям и ограничениям нарушения равновесия сложившихся экосистем и экономически эффективного их функционирования.

2. Впервые получена вероятностная модель с элементами предпрогнозного анализа случайного потока водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей.

3. Впервые выявлены и математически описаны закономерности функционирования элементов систем механизации управляемого водопользования в сельском хозяйстве:

— образования регулирующего объема буферных емкостей;

— образования регулируемого объема буферных емкостей;

— управления техническими системами водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

— согласования напора насоса в рабочей зоне с параметрами внешней сети;

— расхода насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме;

— процесса образования избыточного давления в системе водообеспечения;

— процесса нагрева электродвигателей насосов;

— расхода воды потребителями.

4. Впервые разработана методология технологического обеспечения экоси-стемного водопользования, включающая методики построения вероятностной модели расхода водопотребления, определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе, выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.

5. Обоснованы принципы построения объектов экосистемного водопользования, включая технологию управляемого орошения растений туманом, как направление исследований на перспективу.

6. Разработано новое поколение технологий и систем механизации для обеспечения экосистемного и управляемого водопользования в сельском хозяйстве с оценкой их экономической эффективности.

Положения, выносимые на защиту:

1. Параметры взаимосвязанных базовых режимов и технологических процессов в системах водообеспечения и водопотребления следует оптимизировать по критериям экологичного, не нарушающего экосистемность агро-ландшафтов и энергоэффективного их функционирования, которые взаимосогласованы. Так оптимальная стабилизация давления в трубопроводах исключит утечки воды и водную эрозию почвы, и связанный с ними непроизводительный расход электроэнергии.

2. Анализ случайного потока водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей следует производить с использованием разработанной его вероятностной модели.

3. Проектирование технологических и технических объектов обеспечения экосистемного водопользования следует осуществлять на основе: принципа экосистемности, отвечающего экологическим требованиям и ограничениям нарушения равновесия сложившихся экосистемпринципа оптимальности технических и технологических решений, отражающий переход на новые экологически безопасные и экономически эффективные водохозяйственные системы, технологии и конструкции, то есть на основе исслёдованных закономерностей функционирования элементов систем механизации управляемого водопользования в сельском хозяйстве:

— образования регулирующего объема;

— образования регулируемого объема;

— управления техническими системами водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

— согласования напора насоса в рабочей зоне с параметрами внешней сети;

— расхода насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме;

— процесса образования избыточного давления в системе водообеспечения;

— процесса нагрева электродвигателей насосов;

— расхода воды потребителями, а также инженерных методов построения вероятностной модели потребления воды, методов определения энергопотребления машинных систем водообеспечения при случайном расходе, выбора машинных систем водообеспечения и компоновки насосных станций.

4. Построение систем технологического обеспечения экосистемного водопользования следует осуществлять с учетом предложенных принципов их проектирования.

5. Эффективное функционирование объектов экосистемного водопользования — водохозяйственной деятельности и управления водопользованием в едином технологическом процессе, включающем потребление, использование и отведение воды с учетом экологических требований и ограничений по количественным и качественным показателям, снижения безвозвратного во-допотребления и предупреждения загрязнения воды, почв, растений, можно обеспечить применением разработанных новых технологий и созданных систем механизации управляемого водопользования нового поколения.

Практическая значимость и реализация результатов заключаются в разработке и создании средств технического обеспечения нового поколенияконтейнерных насосных станций заводской готовности, реализующих прямоточную технологию водообеспечения с комбинированной схемой компоновки электронасосов на основе современной преобразовательной техники и сотовой связи протокола GSM, использованные с участим автора в выполнении Федеральной целевой программы «Социальное развитие села до 2010 года» путем разработки рекомендаций, конструкторской документации и оборудования для технического обеспечения систем водоснабжения объектов АПК, включая: 1.

— Методические рекомендации по выбору оборудования для частотно-регулируемой насосной станции второго подъема с комбинированной компоновочной схемой (2005 г.);

— Методические рекомендации по выбору оптимальной автоматизированной электронасосной установки для башенной системы водоснабжения с использованием четырехдюймовых погружных электронасосов (2005 г.);

— Методические рекомендации по выбору энергоэкономного электронасосного оборудования и применению контейнерных насосных станций, рекомендованные к применению НТС Минсельхоза РФ (2007 г.).

— конструкторская документация на изготовление павильонов контейнерного типа для станций подготовки и подачи воды производительностью 24 м /сут., 60 м /сут.;

— конструкторская документация на электрооборудование и средства автоматизации станции подготовки и подачи воды контейнерного типа производительностью 24 и 60 м3/сут. с установленной мощностью от 0,75 до 1,5 кВт.

За создание и внедрение инженерного оборудования нового поколения «Высота» автору в составе творческого коллектива присуждена Премия правительства РФ в области науки и техники 2003 года.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на Ученых советах ВИЭСХ, заседании Бюро Отделения механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства Россельхозакадемии (2005 г.), на Международных научно-практических конференциях, симпозиумах и конгрессах: «Автоматизация сельскохозяйственного производства» (г.Углич, 1997 г.), «Научно-технический прогресс в сельскохозяйственном производстве» (г. Минск, 1997 г.), «Вода: экология и технология» (г. Москва, 1998 г.), «Энергосбережение в сельском хозяйстве», (г. Москва, 1998 г.)."Вода: экология и технология" (г. Москва, 2000 г.), «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве», (г.Минск, 2000 г.), «Энергосбережение в сельском хозяйстве. К 70-летию ВИЭСХ», (г. Москва, 2002 г.), «Вода: экология и технология» (г. Москва, 2002 г.), «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии и техника орошения», г. Коломна,, 2004 г.), «Энергосберегающие технологии в животноводстве и стационарной энергетике» (г. Москва, 2004 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2004 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2006 г.), «Научно-технический прогресс в инженерной сфере АПК России — разработка высокоэффективных ресурсосберегающих технологий» (г. Москва, 2007 г.), «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве (г. Углич, 2008 г.), «Нетрадиционное растениеводство. Селекция. Охрана природы. Эниология. Экология и здоровье» (г. Алушта, 2008 г.), «Научно-технический прогресс в животноводстве — ресурсосбережение на основе создания и применения инновационных технологий и техники», (г. Подольск, 2008 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2008 г.), «Повышение использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (г. Тамбов, 2009 г.), «Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве» (г. Москва, 2010 г.).

Реализация результатов. Автором в 1991 году было организовано производственное предприятие для изготовления и внедрения технических средств управления и защиты погружных электронасосов «Высота» 105 различных модификаций и типоразмеров с объемом выпуска 800 шт./год.

Всего выпущено более 25 тысяч комплектов, что подтверждено актами о внедрении в период с 2004 по 2010 годы.

Указанные комплекты использованы при выполнении «Мероприятий по развитию водоснабжения в сельской местности» в рамках 4 контрактов с Минсельхозом России.

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 80 печатных работах (из них 15 статей в изданиях, согласно списку ВАК РФ), 3 книгах и брошюрах. Новизна технических решений защищена 8 авторскими свидетельствами и патентами на изобретения и четырьмя свидетельствами на государственную регистрацию программы для ЭВМ.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Материалы изложены на 266 (375 с приложениями) страницах компьютерного текста, содержат 24(61 с приложениями) таблицы, 67(97 с приложениями) рисунковбиблиография включает 199 источников, в том числе 15 — на иностранных языках.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Разработанная в результате обобщения и систематизации имеющихся данных классификация базовых режимов функционирования систем водо-обеспечения и водопотребления объектов АПК по критериям эффективности, ресурсосбережения и экологической безопасности, позволила:

— установить, что применяемый при проектировании метод коэффициентов неравномерности (часового, суточного и т. д.) расхода, не позволяет обеспечить необходимое согласование режимов подачи воды с режимами её потребления и устранения получаемых при этом ущербов, поэтому необходима разработка метода получения достоверных исходных данных по расходу, адекватных реальным расходам в системах водопользования;

— выделить взаимосвязанные сложные экологообразующие режимы элементов технологических схем, требующие взаимного согласования и согласования с диктующими (лимитирующими) условиями внешнего воздействия для обеспечения экосистемного водопользования, как функции согласованных режимов;

— наметить режимы образования регулируемых объемов воды в башнях, зависящие от работы устройств управления насосами;

— показать, что отсутствие согласования режима работы датчика уровня с внешним воздействием отрицательных температур в зимнее время приводит к нарушению управления насосом, к переливам воды в башнях, их обмерзанию, нарушению целостности корпуса, к нарушению экологии;

— дать оценку ущерба при нарушении согласования сложных взаимосвязанных режимов технологических систем водообеспечения с диктующими условиями водопотребления: потерь ресурсов, сокращения сроков службы элементов технологических систем и др.;

— определить и математически описать закономерности функционирования других систем для создания техники управляемого водопользования.

2. Разработанная вероятностная модель случайных потоков водопотребления категориями социально-бытовых, животноводческих и растениеводческих потребителей позволила установить следующее:

— режимы водопотребления представляют собой временные ряды с фрактальной структурой, образованной в результате самоорганизующегося процесса потребления воды большой группой потребителей;

— фрактальная размерность ряда режима водопотребления близка к единице, что говорит о преобладании в структуре детерминированной составляющей;

— фазовые траектории процесса водопотребления отображают цикличность процесса, равную суткам, их анализ подтверждает наличие в структуре долговременной памяти, что обуславливает хорошую прогнозируемость процесса и возможность применять выявленные вероятностные характеристики и параметры на объектах со схожими технологиями;

— анализ вероятностных оценок режимов водопотребления двух объектов с малым количеством потребителей (ферма КРС на 200 голов) и очень большим их количеством (свиноводческий комплекс на 108 тысяч голов) показал, что в обоих случаях процесс состоит из детерминированной и случайной составляющей. Причем первая представляет собой уточненный суточный график водопотребления, а вторая имеет стационарный характер с нормальным законом распределения и средним квадратическим отклонением, равным 1/8 от максимального расхода для обоих объектов. Их частотные характеристики совпадают с точностью +10%, что позволяет применять последние для обоснованного выбора технических решений.

3. Обоснованные закономерности функционирования элементов технических систем управляемого водопользования в сельском хозяйстве позволяют с применением компьютерных программ при проектировании и оптимизации параметров:

— получать вероятностные модели расхода водопотребления в программе Excel в качестве достоверных исходных данных для проектирования насосных станций;

— формировать регулирующий и регулируемый объемы в системах во-дообеспечения сельскохозяйственных объектов;

— обеспечивать согласование подачи насоса в рабочей зоне с параметрами внешней сети и стабилизацию давления в технических системах водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

— определять механические характеристики и закон управления насоса и насосными агрегатами в системе водоснабжения сельскохозяйственных объектов;

— формировать расход насоса с частотным приводом в комбинированной компоновочной схеме;

— моделировать процессы образования избыточного давления в системе водообеспечения и нагрева электродвигателей насосов.

4. Разработанные методики (построения вероятностной модели расхода водопотребления в программе Excel, определения энергопотребления насоса при случайном расходе, выбора электронасосов и компоновки насосных станций с применением комбинации регулируемых (РН) и нерегулируемых (НН) электронасосов) позволяют научно обоснованно осуществлять оптимизацию согласования режимов функционирования систем водообеспечения объектов сельского хозяйства с режимами внешнего воздействия сети.

5. Обоснованный состав технического обеспечения категорий социально-бытовых и животноводческих потребителей воды позволяет программировать функции контроллера и коммуникационного интерфейса системы управления, включая GSM модем для передачи информации конечному адресату на телефонный номер или адрес электронной почты центрального диспетчерского пункта объекта. 1.

6. Разработаны принципы построения объектов экосистемного орошения растений, как живых самоорганизующихся систем, предусматривающие взаимоопределенность эффективности информации и энергоэффективность её носителя (КПД) одним оптимальным количеством информации, что является критерием определения режимов для перспективной энергоинформационной технологии орошения и эффективное управление ими.

7. Производственная проверка предложенных технических решений, проведенная в ЗАО Племзавод «Петровское», Московской области (г. Лыт-карино) показала, что для случая, когда электронасос сохранил свою работоспособность, применение комплекта «Инфоком» Высота GSM позволит сни.

241 зить ущербы от его простоя на 100%, обеспечив бесперебойное водообеспе-чение ввиду оперативного информирования о причине остановки электронасоса.

9. Предложенная прямоточная технологическая схема водообеспечения эффективна для всех типоразмеров сельскохозяйственных объектов по сравнению с башенной схемой. Разность полных затрат, определяющая эффективность схемы для разных типоразмеров, колеблется от 112,65 до 174,48 тыс. руб. Экономия капитальных вложений, как доминирующей составляющей части полных затрат для разных типоразмеров составляет 65. .85%.