основные особенности и закономерности прогрессивного

УДК 631.6
ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОГРЕССИВНОГО
РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ОРОСИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЮГА СИБИРИ
С.Э. Бадмаева
Красноярский государственный аграрный университет, Красноярск, Россия
На основании анализа эволюции конструкций оросительных систем, главных,
второстепенных, основных и вспомогательных функций и их элементов установлены
основные особенности действия законов и закономерностей развития технических
объектов этого класса.
1. Конструктивная функциональная структура оросительной системы развивается в
полном соответствии с законом прогрессивной эволюции технических объектов:
недостатки прототипа (поколения Si) являются критериями развития для следующего
поколения Si+1 систем с улучшенными техническими решениями в пределах одного
физического принципа действия. Временные границы этапов развития оросительных
систем не совпадают с перерывами в развитии ирригационной культуры народов
Южной Сибири, которая насчитывает более 2,5 тысяч лет и является одной из самых
древних на территории современной России. Перерывы в развитии систем обусловлены
надсистемными факторами: социальными, экономическими, политическими и т.д. После
перерывов в развитии новый период начинается с восстановления систем предыдущего
поколения (тагарская, таштыкская, средневековая культура и культура орошения конца
XIX-XX веков), но технологии строительства, орудия труда при этом соответствуют
новому уровню развития общества.
Внутри каждого этапа развития конструкции систем проходят четыре периода:
зарождения, становления, совершенствования и упадка в зависимости от соотношения
прогрессивных и регрессивных критериев развития, действующих внутри временных
этапов. В этом отношении особенно наглядным является период с конца XIX до конца
XX века, в котором отразилась практически вся история развития орошения на юге
Сибири: начавшись с восстановления примитивных древних систем периода
нерегулярного и не регулируемого орошения (лиманы, мочаги), пройдя периоды
становления и совершенствования, конструкции самотечных систем замещаются
машинными системами орошения последнего поколения.
2. Анализ развития конструктивной функциональной структуры от ее зарождения
до настоящего времени показывает, что оросительная система является средством
управления потоками воды, тот есть регулятором. В процессе эволюции
совершенствуются конструктивные элементы, регулирующие забор, доставку, деление
водного потока. Способы распределения воды по полю: борозды, напуск, мочка лугов и
пастбищ, − просуществовали практически в неизменном виде с зарождения
ирригационной культуры до середины ХХ в. Механизированные способы
поверхностного полива в Сибири не имели большого распространения и применялись в
основном на полях опытных станций. Новые методы и способы распределения воды по
орошаемому полю используются в Сибири с наступлением машинного этапа эволюции
систем (начало 60-х гг. ХХ в.). С помощью дождевальной техники достигаются такие
показатели качества, как точность выдачи поливной нормы, качество и равномерность
подачи распыляемого над полем дождя. Объектом регулирования является влажность
почвы.
Если главной целью системы орошаемого земледелия является получение
дополнительной продукции с единицы площади при определенных ограничениях
(ресурсных, экологических, климатических и др.), то показателем цели управления
является урожайность сельскохозяйственных культур, а точнее, размер дополнительной
экономически эффективной продукции.
Управляющее воздействие (вектор управления) оросительной системы − поток
воды расчетного объема, подаваемый в единицу времени на единицу площади по
заданному графику водопотребления в зависимости от текущих климатических условий
и культур в севообороте (гидромодуль). Поливные и, следовательно, оросительные
нормы зависят от поглотительной способности почвы. Возмущающее воздействие −
дефицит водных ресурсов, необходимый для заданного уровня урожайности культур в
данных климатических условиях, компенсируется с заданной ошибкой гидравлическим
регулятором − оросительной системой.
Главная особенность данного регулятора заключается в том, что он является
генератором возмущения процессов массопереноса в почвах и подстилающих грунтах.
Дробность, дискретность полива возбуждает, раскачивает процессы массопереноса, что
часто вызывает явления засоления, эрозии почв, заболачивания и т.д. Система «почва −
растение − атмосфера» при орошении находится в так называемом переходном процессе.
Если же процесс орошения будет непрерывным, то в этом случае мы изменим
генетическую природу процесса почвообразования.
Таким образом, мы считаем, что в строгом смысле оросительная система не
является
регулятором
«...
воздушного,
теплового,
пищевого,
солевого,
микробиологического режимов почв...». Параметры перечисленных выше режимов
почв не контролируются оросительной системой, этот технический объект не имеет
конструктивных
элементов,
предназначенных
для
управления
изменениями
многочисленных переменных величин, кроме режима влажности.
Процесс расширения множества функций ТО «оросительная система» двигался в
направлении увеличения использования водных ресурсов во множестве целей. Лишь
последний этап эволюции ТО позволил использовать водный поток в качестве носителя
растворимых форм удобрений и гербицидов, распыляя их над полем с помощью
дождевальных машин и аппаратов. Изменение параметров режимов воздушного,
теплового и т.д. является следствием воздействия дополнительных водных ресурсов,
подаваемых на орошаемый массив. Эти изменения режимов неизбежны, поэтому мы
должны считать равноправным элементом системы орошения регулятор, который
компенсирует возмущения, вызываемые техническим объектом. Из существующих
способов регулирования процессов, которые протекают в почвах и грунтах на
иерархическом уровне, ограниченном в пространстве первым уровнем соподчинения
технических объектов гидромелиорации, выделяются агро-, лесомелиоративные
мероприятия и дренаж. Последний понимается не только как технический объект, но и в
более широком смысле как дренированность территории, биологический дренаж и т.д.
Оросительная система оказывает управляющее воздействие на количество
произведенного продукта через количество, качество и режим подачи воды на орошаемое
поле. Главнейшее свойство систем регулирования — устойчивость, характеризуется
такими критериями развития, как водообеспеченность объекта и надежность работы
сооружений, оборудования, установок, арматуры и т.д. Поскольку количество продукции
зависит не только от количества и качества подаваемой на орошение воды, то
устойчивость, то есть стремление к нулю отклонения регулируемой величины от
требуемого закона ее изменения, является неотъемлемым свойством системы более
высокого уровня иерархии – системы орошаемого земледелия. Именно потому, что
оросительная система является средством генерации колебаний физических,
химических, биологических характеристик (переходных процессов), подавление
отклонений и уменьшение ошибки регулирования должно осуществляться другими
управляющими воздействиями или регуляторами.
В основе функционирования систем регулирования лежит принцип обратной связи,
служащий для сравнения действительного и требуемого значения регулируемой
величины. Для оросительной системы главной связью является режим подачи воды с
количеством дополнительной продукции. Разрыв главной связи приводит к генерации
колебаний параметров функционирования системы. Так, если режим подачи воды не
зависит от экономической эффективности деятельности оросительной системы, или,
другими словами, параметры на входе в систему непосредственно не связаны с
параметрами на выходе, то естественно предположить, что рассогласование этих
параметров приведет к бюджетному дисбалансу. Как показала практика, отсутствие
обратных связей внутри системы привело к уменьшению показателей эффективности
работы системы и отрасли в конце прошлого столетия. Практически на всех
оросительных системах Сибири не были достигнуты проектные показатели
эффективности.
3. Вся история развития конструктивной функциональной структуры оросительных
систем с древних времен до наших дней указывает на то, что к данному классу
технических объектов следует относиться как к системам регулирования. Это, казалось
бы, теоретическое положение имеет практическое следствие, относящееся к главному
критерию развития − эффективности деятельности системы. Под эффективностью мы
понимаем всю совокупность воздействия системы на размер получаемого
дополнительного продукта, на количество и качество используемых ресурсов, на
количество и качество продуктов «диссимиляции» системы, то есть на степень влияния
процессов, сопутствующих деятельности системы, на окружающую среду. Или, другими
словами, оросительная система включает в себя не только собственно процессор,
осуществляющий прием, транспорт и распределение воды по орошаемому полю, но и
подсистемы приема, обработки информационных сигналов на входе и выходе, а также
подсистемы принятия решений и планирования деятельности.
Совершенствование только одной из подсистем управления технологическим
процессом орошения сельскохозяйственных культур приводит к сбою работы всей
системы. Так, в период машинного орошения основные средства и большая часть
технических решений были направлены на совершенствование конструкций
оросительных систем, на создание «технически совершенных объектов». При этом
подсистемы, обслуживающие информационные потоки о состоянии эффективности
системы, были отнесены на более низкие уровни значимости. В результате к началу
1990-х гг., то есть через 15...20 лет после начала машинного этапа орошения, появились
признаки неэффективного использования орошаемых земель, экстенсивного развития
конструкций ГТС, дождевальной техники, а темпы прироста новых орошаемых площадей
снижаются к началу 80-х гг. ХХ в. Несмотря на большой запас знаний о процессах,
происходящих под воздействием орошения в почвах, растениях, атмосфере, действенные
управляющие решения по уменьшению негативных явлений, как правило, не
принимались.
Необходимо отметить, что речь идет не об автоматизации систем управления, а об
организационной системе принятия решений на основе полученной информации
службами эксплуатации систем. Данная особенность функционирования систем
орошения относится не только к Сибирскому региону, а в целом к периоду становления
машинных систем.
Особенность развития подсистем управления и планирования орошения на юге
Сибири заключается в том, что первоначально эти функции осуществляли органы
административного надзора и охраны систем (период тагарской, таштыкской культуры и
средневековья). По мере совершенствования конструкций систем функции вододеления
передаются особому виду гидротехнических сооружений − регуляторам. Экономические
критерии определяли величину водовыдела и регулировали взаимоотношения
пользователей систем вплоть до 1929 г. Оценка эффективности орошения по
экономическим показателям привела к снижению водообеспеченности объектов и с этого
времени начинается развитие подсистем планирования водоотбора. В 1930-е годы
создаются специальные органы управления оросительными системами. Службы
эксплуатации проводят регистрацию информационных потоков на входе и частично на
выходе, обратная связь и планирование деятельности сводятся в основном к уходу за
оросительной сетью, гидросооружениями, насосными станциями и их ремонту.
Попытки автоматизации управления работой оросительной сети не дали желаемых
результатов из-за низкой надежности линейных сооружений (трубопроводов, арматуры и
др.) и насосных станций в условиях морозной агрессии.
4. Прогрессивное развитие конструкций оросительных систем от первых
примитивных лиманов к поколениям самотечных, а затем машинных систем генетически
связано с улучшением следующих внешних и внутренних критериев развития.
Главным внешним фактором (критерием) развития любой обрабатывающей
системы является демографический: увеличение народонаселения, проживающих на
данной территории. Если этот критерий находится в стадии регресса, то мотивация к
развитию, в том числе мелиорации, уменьшается или вовсе отсутствует. Данное
положение общеизвестно и не требует доказательств, следует лишь заметить, что в
настоящий момент демографическая ситуация в Сибири находится в стадии регресса.
На темпы развития мелиорации в Южной Сибири оказывали влияние удаленность
территории от признанных центров цивилизации. Большие расстояния снижали темпы
обмена информацией и продукцией, рынки сбыта сельскохозяйственной продукции не
выходили за пределы данной территории. Традиционным мотивом увеличения
производства, например, зерна, а затем и овощей было развитие добычи металлов и
металлургия. Динамично развивается орошение земель в железный век до завоевания
Сибири монголами. К X веку новой эры орошение появляется на Алтае, в Бурятии, Тыве.
После завоевания Сибири монголами наступает период регресса, о котором в истории
имеется мало данных, в том числе об орошении земель. Восстановление орошения в
конце XIX в. связано с притоком населения на юг Сибири, с появлением потребности в
зерне, с увеличением рынков сбыта сельскохозяйственной продукции, с новыми
технологическими возможностями общества, улучшением обмена информацией и т.д.
Развитие конструкций оросительных систем связано с улучшением следующих
внутренних критериев:
повышением водообеспеченности систем в связи с расширением площадей
орошения;
повышением производительности систем (объем и режим водоотбора, объем
дополнительной продукции, получаемой на орошаемых землях);
снижением трудоемкости строительства и эксплуатации оросительных систем;
снижением удельной протяженности транспорта воды от водоисточника до
потребителя;
повышением коэффициента полезного действия системы и ее элементов;
снижением материало- и энергоемкости строительства и эксплуатации;
повышением производительности труда на поливе.
Основные показатели качества, определяющие прогрессивную эволюцию конструкций оросительных систем и элементов:
повышение надежности и долговечности конструкций и сооружений;
регулирование (управление) потоков воды по объему, площади и во времени;
улучшение качества распределения воды по площади орошения;
повторное использование сбросных вод с устройством регулирующих водоемов;
снижение эрозионных процессов, засоления, подтопления территорий;
улучшение структуры почвы;
планирование водопотребления под заданную урожайность возделываемых
культур, обводнение и другие нужды.
5. В эволюции конструктивной функциональной структуры оросительных систем
выделяются четыре этапа:
период лиманного орошения, когда функции водозабора, транспорта воды и
распределения ее по орошаемому участку не разделены (самые экономичные системы);
период становления оросительной системы как иерархической структуры,
регулирующей движение воды в заданном направлении с помощью системы каналов
различного уровня соподчинения;
период совершенствования конструкций оросительных систем, регулирующих
движение воды от водоисточника до потребителя как в пространстве, так и во времени
с помощью гидротехнических сооружений, в конце периода развития самотечных
систем (40-60-е гг. XX в.) регулирование потоков воды осуществляется автоматически
на основе законов гидравлики без применения энергетических средств управления;
превращение самотечных систем орошения в машинные с использованием
искусственно созданного напора воды в проводящей сети с помощью энергетических
машин, с автоматическим регулированием потоков воды, основанным на законах
гидравлики.
6. История орошения в Сибири отличается длительностью этапов эволюции.
Если этапы становления и совершенствования систем длятся столетия, то последний
этап - машинный развивается более динамично. Если первые периоды характеризуются
совершенствованием
опыта
орошения
внутри
географической
среды
(преимущественно), то последние этапы и подэтапы развития конструкций несут в себе
явные признаки влияния знаний и опыта других культур. Начиная с 1930-х гг. и по
настоящее время, знания в области мелиорации вообще приобретают первостепенное
значение: проектирование оросительных систем (планирование деятельности и
конструирование) становится воплощением этого знания и приобретает абсолютное
значение в машинный период эволюции оросительных систем. Традиционные для
Сибири способы орошения и конструкции систем почти полностью вытесняются
машинными системами. Этому способствовало бурное развитие топливноэнергетического комплекса в регионе.
7. Действие закона расширения множества функций также имеет специфические
проявления в конструкциях оросительных систем. Традиционно с древних времен
излишние запасы воды, используемой для орошения пашни, пропускалось на мочку
луга. Обычно это были котловины или небольшие понижения в рельефе. Постепенно,
если позволяли условия водообеспеченности, «мочаги» трансформировались в водоемы
сезонного регулирования, куда сбрасывались концевые или аварийные запасы воды.
Помимо основного назначения водоемы стали выполнять и другие функции:
обводнения пастбищ, рыбоводства, использовались как зоны рекреации, охоты и др.
Транспортирующие каналы становятся источниками водоснабжения для развивающихся
индивидуальных садоводческих хозяйств, для животноводства. Таким образом,
крупные оросительные системы становятся центром ирригационной культуры,
превращаются, по существу, в водохозяйственные системы. Однако отсутствие обратной
связи в системе управления эффективностью действия оросительных систем
нейтрализует положительный экономический эффект, который должен иметь место
при расширении множества функций технического объекта. Все затраты на
эксплуатацию систем, по-прежнему относятся только на главную функцию −
производство продукции растениеводства.