автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Имитационная система ДИОРТ как средство анализа состояния орошаемой территории

" я -

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НШИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УШШЕРСИТЕТ

Региональный специализированный совет К 063.52.12

На правах рукописи ЧЕРДЫНЦЕВА МАРИНА ИГОРЕВНА

ИМИТАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДИОРТ КАК СРВДСТВО АНАЛИЗА СОСТОЙНШ ОРОШАЕМОЙ ТЕ^РОТОРШ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и матеиатичоскиу методов в научных исследованиях (но отраслям наук)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 1990

Работа выполнена в Ростовской ордзна Трудового Красного Знамени государственном университете.

Научный руководитель - доктор физико-математических

наук, профессор А.Б.Горстко

Официальные оппоненты - доктор физико-математических

нцук, профессор Н.С.Абросов каадидат физико-математических наук, доцент Ф.А.Сурков

Ведущая организация - Московский ордена Трудового Красногс

Знамени гидромелиоративный институт

Защита состоится ■ ¿¿омугл. 1990г. в _час.

на заседании специализированного Совета К 063.52.12 по присуждении ученой степени кандидата наук в Ростовском государственном университете по адресу: 344104, г.Ростов-на-Дону, пр.Стачки,. 200/1, корп.2. Бичислительный центр PI7.

С диссертацией мо<но ознакомиться в научной библиотеке Р1У по адресу: уд.Цушкинская, 148.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, /ffj>^

кандидат технических наук Х.Д.Дкенибалаев

" ! ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вопросы использования и охраны природных вод приобрели в последнее время огромное значение. В ряде районов нашей страны возникли диспропорции между потребностями и наличием водных ресурсов. Широкое использование пресной зоды для промышленных, сельскохозяйственных и коммунальных нужд приводит во многих случаях к снижении качества поверхностных и подземных вод . Это определяет настоятельную необходимость выявления изменений,вносимых деятельность!) человека в водный баланс, режим речного стока, качество поверхностных и подземных вод при различном уровне развития промышленности и сельского хозяйства. Большое значение приобретает задача прогнозирования изменений водных ресурсов отдельных бассейнов, регионов.

Практически любая хозяйственная деятельность человека ка территории водосборного бассейна прямо или косвенно воздействует на гидрохимический и гидробиологический режимы водных объектов. Однако, наиболее заметно воздействуют на качество воды загрязнения, которые поступают в водные объекты с различными сточными водеыи и поверхностным стоком с территории.

В настоящее время одним из основных видов антропогенного воздействия на состояние водных ресурсов следует считать сельское хозяйство, в частности, ороааемое земледелие.

Для большинства используемых способов орошения характерны большие потери воды. При этом непродуктивные потери ктэывапт такие нежелательные последствия как повышение уровня грунтовых вод, засоление и заболачивание земель, смыв плодородного слоя почвы, эрозию, изменение солевого к биогенного состава вед

после их использования, вынос с полей специфических поллю-тангов - минеральных удобрений, пестицидов и гербицидов.

Все эти последствия в конечном счете отражаются на состоянии гидроэкосастемы региона в целом. Для того,чтобы прогнозировать будущее состояние гидроэкосистем, которые подвергается воздействию со стороны орошаемого земледелия, необходимо уметь прогнозировать оти воздействия, т.е. предсказывать когда, сколько и каких загрязняющих веществ поступит с орошаемой" территории р водоемы и водотоки.

Весьма аффективным методом для решения таких задач является математическое моделирование. При атом основным инструментом прогнозирования выступает имитационная система. Создание такого рода систем в области гидромелиорации и применение их для прогнозирования состояния мелиорируемых территорий, влияния гидромелиорации на количество и качество подзомных и поверхностных вод, имеет большее значение. Важ-къш свойствами таких -систем, наряду с адекватностью представления моделируемого объекта, являются универсальность, возможность адаптации, удобство использования.

Основной целью работы является разработка имитационной системы "Водно-солевой разим орошаемой территории" (ДИОРТ), позволяющей моделировать современное и перспективное состояние мелиорируемой территории, а такие решать многовариантные прогнозные задачи.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи: I. Провести анализ существуюцих моделей и методов, описывающих процессы формирования и трансформации водного и солевого режима почвогрунтов в условиях орошаемого земледелия

2. Разработать принцип моделирования динамики вяагоза-пасов и содержания солей в почве для орошаемого региона.

3. Разработать структуру базы данных для информационной поддержки процесса моделирования.

4. Разработать структуру имитационной системы и выполнить ее программную реализацию.

5. Разработать принципы подготовки сценариев экспериментов и создать библиотеку шаблонов сценариев.

6. Провести апробацию для конкретного объекта моделирования - Нинне-ДонскоЯ оросительной системы (НДОС), выполнить ыноговариантные расчеты.

. Методы исследований. В работе используется методология современных представлений о применении математического моделирования и математических методов в научных исследовшшях. Использованы методы системного анализа, математического моделирования, методы теории построения больших прогрымкнтле систем, структурного программирования, теории баз данных, метод* теории графов.

Научная новлзиа работы состоит в следующем:

- впервые проведен столь подробный системный анализ мелиорируемой территории, опирающийся на математические модели,прэ-. исходящих на ней процессов;

- впервые построена и оформлена в виде пакета программ, адаптируемого для различных орошаемых территорий, имитационная система, сплсываицая динамику зодно-солзвйго баланса орошаемой территории;

- Еперпиа проведены расчеты для территории Нгашэ-Доисдсй оросительной систем, позволяющие оценить состояние ыеяиори-

б

руемых ресурсов данной территории.

Практическое значение работы. Выполнена программная реализация имитационной системы для моделирования водно-солевого режима оропаемой территории, удовлетворявшая современным требованиям, предъявляемым к прикладному программному обеспечению. Описана методика подготовки и занесения информации в баз; данных при настройке системы на конкретный объект моделирования. Проведены расчеты для территории Ни*не-Донской оросительной системы, позволяющие как делать прогнозы ее состояния для разных режимов орошения, так и выбирать желательные режимы. Имитационная система ДИОРТ используется на кафедре физической географии Одесского госуниверситета и в отделе мелиоративной гидрологии Государственного гидрологического института при моделировании состояния конкретных оросительных систем.

Математическая модель режима орошаемой территории исполь новдна в качестве блока системы долгосрочного прогнозирования качества поверхностных вод региона, разработанной кафедрой прикладной математики и программирования РГУ и Гидрохимическим институтом Госкомгидромзта СССР.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XII, ХШ школах-семинарах " Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования" (Дгр-со.1988,1989), Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУ ТП в мелиорации" (»рун-ае,. 1968), ни У Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград 1966), конференции.молодьх ученых ГГИ (Ленинград, 1990),XI Бс< союзной школе по математическому моделированию сложных биологических счстем (Звенигород,1969), на семинара отдела мелиор

тивной гидрологии ГГЛ, на семинарах кафедры ПМ и П РГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, имеется 3 акта внедрения результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит ио ВЕеденая, основных положения, выносимых.на защиту, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации 155 страниц. Список используемой литературы составляет 84 наименования.

ССДЕ2ЯАН'ЛЗ РАБОТЫ

Во введении обосношЕаегся актуальность прсвсддмъ'х исследований, формулируется цель и задачи работы, описывается научная новизна результатов я га практическое значение, иглагает-ся краткое содержание работа по глав гл.

Перрая глава посвящена проо'лемэм, которые возникают при моделировании водно-солевого режима орошаемой территории. В главе обосновывается отнесете объекта моделирования к классу сложных систем и необходимость применения системного подхода при разработке моделей. Дан краткий анализ классов моделей, применяемых для роаештя подобного рода задач.

Проблемы мелиоративной гидрологии, прогноза экологических последствий орошения, могу? быть отнесены к классу задач моделирования развития и ду н^:::; о :■ I :;р с в ан; :я водохозяйственных систем (ВХС). ДинБыика таких систем во многом зависит от человека, принимаемых им рг-^ег';::!. Процессы, протекающие в них, описываются болышм числом параметров. Такие системы по ряду признаков относятся к классу елсет/х систем.

Разработка моделей с.-с~.;-: .:х объектов должна базироваться

на принципах системного анализа. Системные исследования включают в себя изучение комплексной проблемы, ее структуризацию и обоснование используемых математических методов. Исследование задачи моделирования водно-солевого режима орошаемой территории основывалось на следующих принципах системного подхода:

- принцип подчиненности исследований конечной цели;

- принцип единства ( совместное рассмотрение системы как целого и как совокупности частей со всеми их взаимосвязями);

- принцип мо,пульного построения;

- принцип функциональности ( совместное рассмотрение структуры системы и ее функций),

- принцип развития ( учет изменяемости системы, способности к рээвитии, расширению);

- принцип неопределенности ( учет неопределенности и случайности в системе).

При решении задач оптимизации и прогноза развития ВХС используются модели различных классов: оптимизационные,функциональные, эскизные , оценочные и др. Для детального изучения различных вариантов развития и функционирования ВХС,оценки ее характеристик при различных воздействиях применяются имитационные модели.

Метод имитационного моделирования все шире применяется при исследовании сложных систем. Имитационная модель обязатель но должна быть машиной, т.е. должна представлять собой комплекс программ для ЗВМ, построенных по модульному принципу, и вомчать специальную систецу математического обеспечения, позволяющую работать с моделью в диалоговом режиме.

При имитационном моделировании задачу управления большими

ВХС рассматривают как задачу поиска удовлетворительной траектории развития системы в некоторой области. Болып'.нство исследователей определяют имитацию как метод проведения численных экспериментов над моделью реальной систеш, чтобы получить информацию для дальнейшего анализа и принятия реиеиий Шейнин, 1978).

В настоящее время существует большое количество моделей и систем моделей, решающих задачи оптимизации орошения, планирования и управления - зто работы З.Г.Прякинской (1970,1937), В.Р.Письменского (1979), ряд работ сотрудников ЕШ'ЫГнМа (1Э34) и до. Достаточно подробно разработаны модели отдельных процессов, происходящих на орошаемой территории, системы моделей, описывающие водно-солевой режим почв при оросении - II.П.Айдаров (1955), О.П.Кисаров (1977/, С.¿.Аверьянов (1973),Л.К.Горев (1ВВ4), Ф.В.Серебренников (1385), А.ЦЛульпш (19В0) и др. Существующие модели и системы моделей были использованы при проведении системного аналнаа объекта моделирования и при формировании библиотеки моделей'.

На основе принципа системного подхода исполнена вертикальная декомпозиция моделируемого объекта - ороааемоЯ территории. Выделены слои,-для которых процессы, протекавшие в них, существенно различны: приземный слой атмосфер-, ненасыщенная зона лочвогрунтов, зона насыщения ( зона грунтовых вод). Для списания каждой из выделенных зон с точки зрения пространственно-временного единства использован балансовый подход. В основу построения системы балансоил: уравнений для орсяаемсй территории положена иьтеграЛ^-ай форма представления (С.Л.Харчило (1975,1987); С.Ф.Аверьянов (1965); А.Н.Костяков С19с(>;

ЬИ - I { I I Р аИ } сС

т ы т

где л и. - изменение я выделенной зоне содержания влаги или концентрации солей, или биогенных елементов, или загрязняющих веществ; Р - функции, описывающие приходную часть баланса; /? - функции; описываощпо расходную часть баланса.

Для описания составляющих правых частей балансовых уравнения используются модели отдельных процессов. Б главе приведен обзор существующих моделей. Описаны традиционные подходы к моделирования процессов фильтрации, испарения и транспира-цик, задержания осадков и поливной воды, процессов поверхностного и подземного стока, смыва почвенного слоя, процессов соле-переноса, поступления веществ в почву, вымывания веществ из пахотного сдоя. Приведены варианты учета растительность в задачах влего- и сслелереноса. Анализируетсл возможность исполь-аоьаник моделей с точки зрения обеспеченности информацией и устойчивости к ошибкам измерений.

Вс второй главе описано математическое и информационное обеспечение имитационной системы моделирования динамики орошаемой территории (ДИОРТ).

Для построения математической модели произведена дополнительная декомпозиция задачи по ьертикали - ненасыщенная зона лочвогрунтов ( зона.аэрации) разделена на три слоя. Выделены слои: от поверхности почвы до глубины 30 см (верхняя корне-сбнтаемая аона), 30-100 см ( нижняя корнеобитаеиая зона),1м -уровень грунтовых вод I зона подпочвы). Такое разделение выз-ьдно различием в протекании отдельных процессов ( испарение, £!льграц,;я и др.).

Поскольку построение аналитических выражений для подынтегральных функций Ш не всегда возможно из-за отсутствия информации, выполняется упрощение уравнения (I) ка основе разби-

ения исследуемой территории на однородные ( в некоторой смысле) участки ( С.И.Харчгшсо,1987) и замены пространственных переменных осредненньми значениями. Отмечено, что для мелиорируемой территории характерной особенностью, которая должна Сыть учтена при разбиении на участки, -является формирование вдоль магистрального и распределительных каналов полосы переувлажненных почв и грунтов. Для приканальной полосы характерно также поднятие купола грунтовых вод. Все это должно быть учтено при введении осредненных характеристик участков. Сотрудниками кафедры физической географии ОГУ (1987,1938) отмечено, что для территорий с замкнутыми бессточншл понижениями (подами), озерами, старицами тоже характерны некоторые отличия в условиях формирования водного режима. На основе проведенного анализа сформирована модель водно-солевого режима орошаемой территории в виде систем балансовых уравнений (см. п.2.1 в диссертации). Водный режим участка орошаемой иерриторш описывается тремя системами балансовых уравнений: для приканальной зоны; для бессточной части; для сточной части.

Аналогичным образом ддо каждого из элементов солевого баланса, биогенных элементов, гербицидов и пестицидов формируются три системы балансовых уравнений. Вышеперечисленные системы балансовых уравнений описывают режим участка в общей случае и могут существенно упрощаться для каждого конкретного участка. Для облегчения конкретизации системы балансовых уравнений введена типизация участков. Выделеш две основные структурные единицы:

- однотипные участки бассейнов ( склонов),где происходит формирование водных масс, в дальнейшем - ячейки;

- линии перетока и трансформации еодных масс, в дальней

/

шем - камеры.

Для основных структурных единиц выделены следующие типы:

- орошаемая ячейка с коллекторно-дренажной и оросительно! сетью;

- орошаемая ячейка без коллекторно-дренажной сети;

- неорошаемая ячейка;

- неорошаемая ячейка с транзитной оросительной сетью;

- неорошаемая ячейка с оросительной и коллекторно-дренажной сеть»;

- селитебная ячейка с канализационной сетью;

- селитебная ячейка без каначизационной сети;

- камера - река;

- камера - суходол;

- камера - канал.

Взаимодействие отдельных участков между собой осуществля ется посредством перетока поверхностных и грунтовых вод.Схема таких перетоков представляется графами взаимодействий. Граф перетока поверхностных вод является ориентированным.Определение порядка просмотра участков в процессе моделирования сводится к задаче правильной нумерации графа поверхностного стока (Харари А., 1973). Грзф подземного стока формируется на каждом шаге по времеш. На с-го основе моделируется сток грунтовых вод.

Для определения составляющих правых частей балансовых уравнений используются модели отдельных процессов.

Модель инфильтрации поливных и дождевых вод (А.А.Све?лич ный,1987):

4

Р„С1-еяр(-К Р„*о (2)

, Я

м

Рн ={ Л ,

где ' Р - суммарные инфильтрационнне потери стока,мм; X - слой осадков или полива,мм; наименьшая Елагоехжость верхнего

слоя почвы (0-30см),мы; V/ -его фактическая влажность, мм; К , о( - параметры.

Фильтрационные потери из каналов определяются по формулы« З.Ф.Аверьянова:

- для условий свободной фильтрации;

И* =10* кв (1 + 0.5 нк,/а)(в + 2 л.)1ю+ (3) + ^ (V* - \fT-i)

- для фазы подпертой фильтрации (смыкание грунтовых вод : фильтрационным потоком)

Шн - {Н-Ь+К)(4)

Здесь "¿к -потери на фильтрацию о I км длины кацапа, кр - коэффициент" фильтрации, м/сут; Чц - максимальная высота капиллярного поднятая, м; & - ширина по "урезу веды в канале,м; А. - глубина воды в канале, м; Н - уровень грунтовых вод, м; А- - отметка дна канала,- м; Ад - коэффициент водопроницаемости, м/сут; т. - коэффициент пористости,'"безр; р - параметр; Г - номер декады от начала заполнения канала.

Фильтрационные потери из пода Ип определяется пс форму-:е для водохранилища:

Здесь Р8 - площадь водного зеркала, м^; ^ ■>■ коэффициент, >езр; остальные обозначения совпадают с (3) и (4).

Модель нисходящего движения влаги из вышележащего (¿"-го) слоя в нижележащий ( -й) предложена сотрудниками ОГУ: КР.+1 .если У*4 > и™ Э**КР1Ч

л

, если М*-4 >

} ,НВи4 ' если К Ч ^

ис С* - мер(-0-1

в остальных случаях

I I

где , - текущая влажность и полная влагоемкость выше-лежыцего слоя, мм; , - интенсивность инфильтрации ело* мм/сут; К8, , - коэффициент фильтрации и гидравлической проводимости нижележащего слоя, мм/сут; Л^ - коэффициент,безр.

Модель суммарного испарения построена на основе теплово-добалансового метода С.И.Харчонко:

' * 2И>„, / р Е^ где Е* - суммарное испарение активного слоя почвы (0-100 см), мм/дек ; Е^- испаряемость, определяется по графикам Л.И.Зубе-нок, мм/дек; текущая влажность и наименьшая влаго-

емкость активного слоя, мм; 2/ - инфильтрация дождевых и поли] ных вод,мы; -фильтрация из активного слоя в нижележащий,мм К*- испарение грунтовых вод в активный слой, мм; у9 - коэффициент, безразм.

Модель испарен(ш грунтовых вод (С.И.Харченко)

К* (-тН*'*) (8)

где глуоина залегания грунтовых есд,м; т. - параметр.

Для расчета 'испарения с водной поверхности Ев использо вана зависимость вида

о)

где /М- функция, описывающая влияние ветра; £п - упругое водяного пара при температуре испаряющей поверхности, мб;4«г-

- абсолютная влажность воздуха на высоте 2 м( иб.

Расчет перехвата осадков и поливных вод хжстительностыо производится по таблицам Г.И.Швебса (1981).

Модель задержания воды в микродепрессиях почвы обнована на рекомендациях А.Н.Бефани (1982):

Р=Р„ •ехр (-адО-езфЫ-ехрМ/ъ,]) <Ю> где Р - величина задержания, мм; Рм - предельная емкость задержания, мм; й - уклон склона, %; Я - слой водо-образования, мм; Я - коэффициент, безр.

Модель расчета результирующей грунтового стока между участками:

лУк = м£ (н)

где ДТ - результирующая грунтового стока для к~го участка, м^/дек; И - количество участков, граничащих с к-ым; -мощность слоя фильтрации в пределах границы с С-и участком,м;

- длина границы, м; Ьс -расстояние между центрами тяжести, м; М*>- уровни грунтовых вод, м; - коэффициент фильтрации, м/сут.

Модель дренажного стока для горизонтального дренажа (А.Н.Костяков, 1960):

й = «¿.Ж Кф Ий (12)

*

где £ - модуль дренажного стока, м /дек; Ир - коэффициент фильтрации, м/сут; Нв - превышение уровня грунтовых вод над дренами, £ - междренное расстояние, м; Ы. - диаметр дрен, м; </. - коэффициент.

Для оценки ливневого смыва почвы использована мс ель Г.И.Швебса:

Мщ-Й-Кг-ф(э,/.) - {(Л,т) <13)

где Ц? -модуль смыва почвы, т/га; Я - относительная смывае-мость; Кг - гидрометеорологический фактор ливневого смыва, т/га; -функция, учитывающая вид рельефа; J - уклон склона, -длина склона, м; -функция, учитываю-

щая вид растительности ( Л ) и состояние поверхности _( т. ),

Определение изменения содержания веществ в почвогрунаах производится по формулам:

■*$.(сГ-фЛ,-*' <и>

где С^ - концентрация £ -го вещества в ¿-ой зоне, кг/м^;

- вынос у -го вещества, кг/км2; ^ -коэффициент е^ыр»-ния, кгЛй3« мм); - фильтрационный поток в ¿+1-юзоцу, мм; А, - глубина I -ой зоны, м.

Оценка выноса веществ из почвы с урожаем проводится по формуле:

где -вынос иа:почвы } -го вещества,кг/кы^; -удельный вынос ^ -го вещества с -ой культурой,кг/(ц-га); Мс -урожайность I -ойкультурн, ц/га; - площадь под ¿-ой культурой, км2.

Формула расчета.поступления веществ в почву с удобрениями;

Р1 . "б)

где Сц- содержание /-го вещества в I -ом виде удобрений} % ; P¿ -норка внесения удобрения, т/га; Л' - площадь внесения, 1см^; Р - общая площадь, км2.

Поступление веществ в почву с растительными остатками определяется выражением:

где содержание J-vо вещества в растительных остатках

I -ой культуры, %', - общая масса растительных остатков, ц/га; , | - коэффициенты.

Основным шагом.моделирования по времени является декада, для некоторых моделей используется таг-сутки. В диссертации обосновывается использование таких шагов по времени. Показана устойчивость математической модели при выбранном шаге по времени. Временной интервал моделирования - вегетационный период.

Для моделирования случайных воздействий в системе использован датчик случайных чисел Макларена-Марсальи (:'.нут Д., 1977), позволяющий избежать корреляции внутри пар и троек последовательных чисел.

Для обеспечения информационной поддержки система ДИОРТ разработана информационная модель предметной области. В основу ее положены как существующее представление специалистов об объекте моделирования, так и потребности моделей в информации. При построении концептуальной модели базы данных предварительно были выделены объекты и связи между ними, определены атрибуты объектов. В качестве логической модели базы данных выбрана реляционная модель. Представленные в ней отношения приведены к третьей нормальной форме..

Третья глава диссертации посвящена описание программного обеспечения системы ДИОРТ. Выделены три основные подсистемы: подсистема подготовки имитационного эксперимента, подсистема проведения имитационного эксперимента и подсистема информационной поддержки вычислительного эксперимента. Приведена характеристика этапов работы с системой: настройка сист м на объект моделирования (занесение информации в базу данных),определение порядка просмотра участков при моделировании, подготовка, и. проведение имитационных экспериментов с системой.

В подсистему проведения оксперименга входят: блок проведения эксперимента, библиотека моделей, блок работы с графами, блок анализа ошибок и блок формирования выдачи.Программы для работи с графами поверхностного и подземного стока объединены в блок работы с графами. Программные реализации моделей отдельных процессов и алгоритмов расчета для систем балансовых уравнений составляют библиотеку моделей. Библиотека моделей позволяет достаточно просто менять виды моделей отдельных процессов в системе. Блок анализа ошибок используется для обработки сбойных ситуаций трех типов: отсутствие в базе данных необходимой информации, выход параметров моделей за допустимый диапазон, ошибка пользователя при вводе информации. Если ршибка не может быть исправлена, блок анализа ошибок прерывает работу системы и выдает подробную диагностику ошибки. Блок формирования выдачи содержит процедуры формирования и печати различных таблиц. Блок проведения эксперимента - это управляющая программа, которая организует все взаимодействия в подсистеме проведения имитационного, эксперимента.

Подсистема информационной поддеряки включает в себя фактическую и модельную базы данных (фВД и МВД) и комплекс программ работы с базой данных (СУЦЦ). Обоснована необходимость разделения на ШЗД и ИДД. Приведено краткое описание реализации каждой из баз данных на физическом уровне. Любое взаимодействие с ЙВД и ШЭД возмоано только через комплекс программ СУЦЦ. Программы реализуют функции создания ВД, занесения, выборки л исправления информации в ДД.Комплекс СУВД поддерживает два режи-• *

ыа работы: диалоговый режим при формировании 2ЦЦ и программный режим доступа к ЦЦ.

В подсистему подготовки имитационного эксперимента входят библиотека шаблонов сценариев и комплекс программ интерфейса пользователя. Шаблоны сценариев содержат наборы вопрооов к пользователю и таблицы параметров, значение которых определяет пользователь при подготовке сценариев эксперимента.

Интерфейс пользователя включает программы, обеспечивапщие ввод—выеод информации через терминалы типа ЕС-7920 на основе базисного телекоммуникационного метода доступа, а также процедуры интерпретации ответов пользователя и организации диалога.

Система ДИОРТ реализована на языке ПЛ/1 и языке Ассемблера ЕС ЭВМ. Система функционирует в среде операционной системы ОС ЕМ версии не ниже М\ГГ 6.1 .Для работы системы необходим доступный объем оперативной памяти 250 К.

В среднем для моделирования динамики одного участка в течение вегетационного периода требуется 1,5-Я минуты процессорного времени на ЭВМ типа ЕС-1033.

Четвертая глава посвящена описанию вычислительных экспериментов с имитационной системой ДЛОРТ. 3 качестве объекта моделирования при пробной эксплуатации системы выбрана Западная часть Нижне-Донской оросительной системы (ВДОС). Приведена краткая характеристика объекта моделирования.

Проведению численных экспериментов с системой предаест-вовала идентификация параметров моделей. Часть параметров, обоснованных и апробированных, бралась из литературных источников. Значения остальных параметров или определялись по результатам натурных наблюдений, проведенных сотрудниками кафедры физической географии Одесского госуниверсигета, или сп-тимизировались на основе результатов имитационных скслери.чен-тов с моделью НДОС.

Длл верификации систеш были использованы данные по экспериментальному полигону Семикаракорской ГШ и опытным участкам за 1981 год.

Сопоставление расчетных и фактических значений показало, что максимальное абсолютное отклонение расчетных значений не превышает 15 %. Среднее отклонение составляет порядка 4-10%. В диссертации проводится анализ возможных причин возникновения относительно больших ( порядка 15 %) отклонений расчетных значений от фактических.

Кроме верификации систеш, с процессе имитационных экспериментов выполнена оценка устойчивости системы к возмущению значений параметров и к случайный ошибкам измерения начальных значений. При оценке использовалась дискретная аппроксимация дяя меры отклонения ^ вида:

где с{с) - фазовая траектория систеш при невозмущенных значениях, (¿) -г фазовая траектория системы г.?и отклонении ^ -го параметра или начального значения, О —величина отклонения параметра. Система менее устойчива к отклонениям тех параметров, для которых величина отой меры больше. Анализ результатов вычислительных эксперииентов показал, что такими параметрами являигся: параметры модели испарения почвенной влаги и грунтовых вод, параметры модели вертикального движения фильтрационных вод, начальное значение уровня грунтовых вод. Для этих параметров мокет потребоваться дополнительная иденпфмацля в каждом конкретном случае. Правильное определишь начального уровня грунтовых вод также имеет важное значение для дальнейшего прогноза.

Подготовка сценария имитационного эксперимента в системе Д110РТ заключается в определении значений управляющих параметров, которых в системе 53. Как правило, в конкретном имитационном эксперименте,ненулевые значения получают 5-10 из них. Для облегчения работы пользователя по подготовке сценария ¡эксперимента в системе ДИОРТ предусмотрены шаблоны сценариев, п которых количество управляющих параметров, подлежащих определению, значительно меньше. Разработаны принципы формирования шаблонов сценариев.

Пробная эксплуатация системы показала ее адекватность моделируемым процессам и возможность ее использования для решения прогнозных задач и проведения многовариантных расчетов.

Основные результаты данного исследования получены при выполнении хоздоговорной работы по теме 2545 "Создать банк моделей и разработать методику долгосрочного прогнозирования качества поверхностных вод в связи с комплексной программой 1ПП СССР на перспективу 1991-2010 г,г." по заказу Гидрохимического института Госкомгидрсмета СССР и следующих договоров о-творческом сотрудничестве:

- № 1288/85 между Ростовским госуниверситетсм и Государственным гидрологическим институтом;

- № 1933/89 между Ростовским госуниверситетом и Одесским госуниверситетом им. И.И.Мечникова.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

I. Проведен подробный системный анализ мелиорируемой территории с точки зрения процессов, влияющих на водно-солэвой режим территории. Последовательное применение системного подхода

позволило создать пространственно-временную имитационную модель водно-солевого режима орошаемой территории. Сформулирован принцип моделирования, опирающийся на систему динамических балансовых уравнений.

2. На основе анализа имеющихся моделей сформирован комплекс математических моделей процессов, позволяющих вычислять составляющие правых частей балансовых уравнений.

3. Построена и программно реализована имитационная система, описывающая динамику водно-солевого режима орошаемой территории. Имитационная система адаптируема к любой оросительной системе, для которой решается аналогичный круг задач.

4. Построена концептуальная модель базы данных, опирающаяся как на представления о предметной области, так и на информационные потребности моделей.

5. Для облегчения работы пользователя с системой разработан и реализован комплекс программ поддержки диалога. В систему включена библиотека шаблонов сценариев для подготовки имитационных .экспериментов.

6. Проведена идентификация параметров моделей применительно к Нпжне-Донской оросительной системе: Численные эксперименты с системой показали адекватность математической модели моделируемым процессам: Выполнена оценка точности имитационной подели. Проверена устойчивость имитационной модели к ошибкам начальных значений и параметров.

7. Проведены расчеты для западной части территории НижнеДонской оросительной системы, позволяющие оценить состояние мелиорируемых ресурсов данной территории.

Рогульт&т^ исследований отражены в следующих публикациях:

1. Горстко A.B., Чердынцева М.И. Региональные водохозяйственные проблемы //Системное моделирование производства, распределения и. лотребления. Тез.докл.Всесоюзной школы-семинара. Вороне«, 1986. С.39-40.

2. Горстко A.B., Ыахмак С.М., Маркман Г.С., Чердынцева М.И., Штейн Р.Э. Экспертная система "Водные ресурсы региона" // Принципы и методы зкоинформатики ( материалы Всесоюзного совещания по экоинформатике и экологическим базам данных).М., 1986.С.26-27.

3. Горотко A.B., Еыец В.П., Светличный A.A.Дульсерт В.®., Чердынцева М.И., Швебс Г.И. Имитационное моделирование рационального использования водных ресурсов мелиорируемых территорий // Тез.докл. У Всесоюзного гидрологического съезда. "СекЦия гидрологического обоснования водохозяйственных мероприятий. Л.: Гидрометеоиэдат, 1966, C.II9-I20,

4. Светличный A.A., Прокопенко С.С., Чзрдыкцвва М.И. Имитационное моделирование в задачах oponeiote // Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования. Тез. докл. областной ХП школы-семинара. Ростов-на-Дону,1988. С.200.

5. Горстко A.B. .Чердынцева М.И* 0бучею(в управлении в мелиорации на основе деловой игры //Тез. докл. Всесоюзной школы-семинара "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУ ТП в мелиорации". Фрунзе, 1988. С.156.

6. Горстко A.B., Чердынцева М.И. Имитационная система "Орошение"// Тез.докл. Всесоюзной школы-семинара "Автоматизация научных исследований и проектирования АСУ ТП в мелиорации". Фрунзе,1988. С.156.

7. Елебс Г.И., Светличный A.A., Прокопенко С.С., Кузьмина В.А., Сизов В.А., Тульверт ВЛ., Гродзинский М.Д,, Чердын-цева М.И. Географические аспекты проблемы имитационного моделирования орошаемого региона//Эколсгические и экономические аспекты мелиорации. Тез.докл. УШ Всесоюзной конференции по мелиоративной географии. Т.1У.Таллин,1930.С.126-128.

8. Горстко A.B., Чердынцева Ч.И. Экспертная система "Орошение"//Методы .информатики в радиофизических исследованиях окружающей среды. Ы.: Наука, 1989. С.236-239.

9. Чердынцева У.И. Концептуальная модель бавы данных для имитационной системы "Орошаемая территория"//Математическое моделирование в проблемах рационального природопользования.Тез. докл.областной ХШ"школы-семинара.Ростоь-на-Дону,1989. С.170,

10. Чердынцева Ы.И. Создание имитационных моделей - способ изучения конкретных экологических проблем //Экологическое образование и воспитание в ВУЗах.Тез.докл.П областной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону,1989. C.II4-II5.

11. Чэрдывцева Й.И. Имитационная система "Водно-солевой раким орошаемой территории"// Вопросы гидрологии суши.Тез.докл. конференции молодых ученых и специалистов. Я,,1990. С.43-44.

12. Горстко A.B., Чердынцева Ы.Й., Швебс Г.И., Светличный A.A., Тульверт В.Ф., -Емец В.П: Имитационное моделирование рационального использования водных ресурсов мелиорируемых территорий //Труды У Всесоюзного гидрологического съезда. Том 4. Гидрологическое обоснование водохозяйственных мероприятий.!.: Гидрометеоисдат, 1990. С.619-526.