Prospective methods for determining water losses from irrigation systems to ensure food and water security of Ukraine

Abstract

Purpose. To develop a complex system for technical diagnostics of soil hydrotechnical structures of irrigation systems for operative identification of damaged sites, reduction of nonproduction water losses, and maintaining ecological and economic efficiency of the hydroeconomic national complex in the context of water and food security. Methodology. The result of the represented scientific study is reached by complex application of geophysical methods of the Earth’s natural pulse electromagnetic field (NPEMFE) and vertical electrical sounding (VES). That allows determining qualitative indices and parameters of the damaged sites of hydrotechnical structures and water filtration paths. Mathematical methods for determining quantitative parameters of filtration losses are applied. Analytical and technoeconomic comparison of some most widely used methods with the complex of techniques proposed in the study are performed. Findings. Field studies and analytical calculations helped determine that, depending on the design parameters of retention basins and modes of their operations, water losses are from 50 to 60 m3 /month per 1 m of the structure length. In some cases total filtration losses per month can reach up to 100 m3 per 1 m of the length. As for the monetary equivalent, in terms of average water cost being 0.12 EUR/m3 , water loss in one standard retention basin with the conventional dimensions of 100 × 100 m is EUR 2.5 thousand per month (EUR 12.5 thousand per season). Originality. The possibility of using a complex of geophysical methods for diagnosing technical conditions of soil dams of retention agricultural basins has been substantiated scientifically. The complex is of high informativity making it possible to determine rapidly the sites with increased filtration in the hydrotechnical objects. According to the comparison of the available models for evaluating possible filtration losses from the retention basins of irrigation systems, the parameters of estimate indicators, ensuring high reliability of the results, have been substantiated. Practical value. Point determination of the sites with filtration water losses makes it possible to focus the repair and renewal operations on the most damaged sites that reduce considerably the time and costs along with the increase in general efficiency of the irrigation system operation

Мета. Розробка комплексної системи технічної діагностики ґрунтових гідротехнічних споруд зрошувальних систем для оперативного визначення порушених ділянок, зменшення непродуктивних втрат води й забезпечення еколого-економічної ефективності водогосподарського комплексу країни в контексті водної та продовольчої безпеки. Методика. Результат представленого наукового дослідження досягається шляхом комплексного застосу¬ 160 ISSN 2071-2227, E-ISSN 2223-2362, Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2023, № 2 вання геофізичних методів природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) і вертикального електричного зондування (ВЕЗ). Це дозволяє визначити якісні показники й параметри порушених ділянок конструкції гідротехнічних споруд і шляхи фільтрації води. Застосовані математичні методи визначення кількісних параметрів фільтраційних втрат. Виконані аналітичні й техніко-економічні порівняння деяких найбільш застосованих методів із запропонованим у дослідженні комплексом. Результати. За натурними дослідженнями та аналітичними розрахунками встановлено, що, залежно від проектних параметрів регулюючих басейнів і режимів їх експлуатації, втрати води становлять від 50 до 60 м3 /місяць на 1 м довжини споруди. У деяких випадках загальні фільтраційні втрати за місяць можуть досягати 100 м3 на 1 м довжини. У грошовому еквіваленті за середньої вартості води 0,12 євро/м3 втрати води в одному типовому регулюючому басейні умовним розміром 100 × 100 м становлять 2,5 тис. євро/місяць (12,5 тис. євро/сезон). Наукова новизна. Науково обґрунтована можливість застосування комплексу геофізичних методів для діагностики технічного стану ґрунтових дамб регулюючих сільськогосподарських басейнів. Даний комплекс має високу інформативність і дозволяє оперативно встановлювати ділянки підвищеної фільтрації в конструкції гідротехнічної споруди. За проведеним порівнянням існуючих моделей оцінки фільтраційних втрат води з регулюючих басейнів зрошувальних систем обґрунтовані параметри розрахункових показників, що забезпечують вищу достовірність результатів. Практична значимість. Точкове визначення ділянок фільтраційних втрат води дозволяє зосередити ремонтно-відновлювальні роботи на найбільш порушених ділянках, що значно скорочує час і витрати, а також підвищує загальний рівень ефективності експлуатації зрошувальної системи.