Лекция 5 Оптимизация развития водохозяйственной системы

Вопросы:

1. Общие положения оптимизации развития ВХС.

2. Технология использования моделирования для программно - целе­вого планирования.

3. Математическая модель планирования развития бассейновой ВХС на примере модели орошаемого земледелия.

1. Общие положения оптимизации развития ВХС

В формировании вод, которое происходит по бассейнам рек, участвуют все элементы гидросферы. Бассейн представляет собой единое геоэкосистемное пространство, включая водосбор, речную сеть, водоносные горизонты и геокомплексы зоны активного водообмена.

В речных бассейнах исторически формировались административно-экономические системы, основой существования которых всегда были вод­ные объекты. Поэтому состояние водных объектов может служить одним из интегральных показателей состояния социально-экологоэкономической сис­темы бассейна в целом. Достаточная обособленность речных бассейнов, с одной стороны, и глубокая взаимозависимость их структурных элементов - с другой, обусловливают необходимость рассматривать бассейн реки как еди­ный объект управления.

На базе использования поверхностных и подземных водных ресурсов бассейнов функционируют бассейновые водохозяйственные комплексы (ВХК). Управляющей основой в ВХК выступает единая водохозяйственная система. Она включает в себя природно-антропогенный комплекс взаимосвя­занных естественно-природных объектов и техногенно-инженерных соору­жений (по регулированию поверхностного стока, добыче подземных вод, транспортировке, очистке, воспроизводству воды), совместно функциони­рующих для удовлетворения различных водных социально-эколого-экономических потребностей общества. Водохозяйственные системы имеют значительные территориальные границы и характеризуются сложными свя­зями со всеми другими отраслями экономики страны.

С точки зрения планирования водохозяйственной деятельности в бас­сейне разумно создание оптимальной бассейновой ВХС, которая имеет це­лью максимальное снижение уровня загрязнения водных объектов при обяза­тельном удовлетворении потребностей населения и объектов экономики в водных ресурсах в условиях ограниченных финансовых средств за счет ис­пользования внутренних возможностей системы.

Эта цель может быть достигнута только в том случае, когда каждая водохозяйственная система более низкого уровня (промышленный узел, пред­приятие) будет функционировать в рамках нормативов, установленных оптимальной деятельностью системы более высокого уровня.

2. Технология использования моделирования для программно-целевого планирования

В современных экономических условиях, в которых осуществляется управление водохозяйственной деятельностью в промышленном узле и у конкретного водопользователя, как правило, отсутствует централизованное финансирование. Водопользование строится на основе ограничений лицен­зирования и соответствующих платежей. В этих условиях экономическая оп­тимизация водопользования значительно усложняется.

Для конкретного водопользователя процесс моделирования его водохозяйственной системы призван обеспечить информацией о возможных вари­антах развития внутренней структуры ВХС в соответствии с установленными лицензией лимитами на забор и сброс, допустимыми к сбросу массами загрязняющих веществ. При этом последние ограничения определяются при решении задач оптимизации ВХС бассейна или промузла.

В процессе разработки экономико-математической модели управления ВХС большое внимание уделяется информационному обеспечению. От со­става, степени детальности, трудоемкости получения исходной информации зависит не только эффективность модели, но и реальная возможность ее вне­дрения в практику управления и в процесс поддержки принятия решений.

В настоящее время имеются разработки информационных систем, обеспечивающих эффективность принятия управленческих решений по кон­кретным бассейнам рек. Однако, несмотря на достаточную оптимальность предлагаемых моделей, их практическое использование для других бассей­нов требует значительной корректировки информационной базы под специ­фические задачи (управление режимом работы водохранилищ, управление обеспеченностью и режимом использования водных ресурсов, управление качеством водных ресурсов и др.).

Информационные ресурсы организуются в базы данных. Возможности ПЭВМ, значительный объем памяти, использование модемов, коммуникаци­онных программ, электронной почты позволяют организовать взаимодейст­вие между внутренними и внешними базами данных реализуемой модели.

Воздействие хозяйственной деятельности проявляется в изменении ко­личественных и качественных показателей бассейновой ВХС. Поэтому воз­никает необходимость в разработке и реализации водоохранных и водохо­зяйственных мероприятий для поддержания стабильного состояния бассейна, а также в прогнозировании последствий реализации намеченных мероприя­тий.

В соответствии с Водным кодексом Российской Федерации и другими нормативными документами, принятыми в его развитие, в основе государст­венного планирования и управления лежит программно-целевой метод. Це­левая программа должна определить мероприятия по реализации одной или нескольких целей, четко установить их иерархию для формирования системы взаимодействия органов управления по реализации этой программы.

Планирование строится на системе экологических нормативов, правил, стандартов и тем самым направлено на достижение требуемого состояния водных ресурсов и решение проблем экологической безопасности водных объектов, промышленного производства и всей водохозяйственной деятель­ности. Однако прежде чем разрабатывать и осуществлять планы водоохран­ной деятельности в бассейне реки, необходимо определить конечную, про­межуточные цели, основные принципы, критерии целесообразности выпол­нения водоохранных и водохозяйственных мероприятий, главные направле­ния работ, их региональную специфику и выработать механизмы, позволяю­щие достичь намеченные цели в реальные сроки.

Процесс разработки целевой программы водоохранной и водохозяйст­венной деятельности основывается на анализе сложившейся ситуации в бас­сейне реки.

1. Определяются основные источники загрязнения, к которым относят­ся промышленные объекты, селитебные территории, животноводческие ком­плексы, сельскохозяйственные угодья.

Источником информации служат данные учета использования вод ГУИВ), представленные в формах 2-ТП (водхоз); данные государственного водного кадастра; лицензии на водопользование и сопровождающие их мате­риалы, хранящиеся в базе данных территориальных органов управления ис­пользованием и охраной водного фонда; отраслевые базы данных при Депар-1 [енте сельского хозяйства и продовольствия субъекта Российской Федера­ции, при отделах архитектуры администраций муниципального образования или субъекта федерации. От того, насколько корректно скомпонована исход­ная информация, в значительной степени зависит достоверность сделанных выводов.

2.По имеющимся сведениям о каждом водопользователе оценивается среднегодовой сброс загрязняющих веществ в водные объекты.

3. На основании собранной информации о гидрологических, гидрохи­мических и гидробиологических показателях по всем характерным участкам водных объектов или по створам Росгидромета и МПР России определяется состояние водных объектов. При этом обязательно изучается надежность (достаточность, репрезентативность, однородность) гидрометрической ин­формации. Кроме того, анализируются данные о влиянии хозяйственной дея­тельности на формирование водных ресурсов в бассейне (водозабор из по­верхностных источников, количество возвращаемой в поверхностные объек­ты воды, режим водопотребления). а также данные о регулировании стока водохранилищами и прудами, о дополнительных потерях воды на испарение и о перебросках стока.

4. Сравнивается состояние водного объекта со стандартами качества воды для различных видов использования.

 

5. Анализируется состояние гидротехнических сооружений, возмож­ность безаварийного пропуска паводка расчетной обеспеченности, состояние дамб, накопителей, шламо- и хвостохранилищ. свалок промышленных и бы­товых отходов, расположенных на водосборной территории.

6. Оцениваются состояние, схемы и эффективность работы водоподготовительных сооружений для забора воды из водных объектов, соответст­вие качества воды в разводящей сети санитарно-гигиеническим требованиям СанПиН 2.1.4.559-96.

Результатом оценки состояния водных объектов становится обоснова­ние и признание экологических проблем бассейна реки. При этом необходи­мо, чтобы проблемы были осознаны всеми участниками водохозяйственной деятельности - от водопользователей до общественных экологических орга­низаций.

На следующем этапе формулируются цели программы водоохранной и водохозяйственной деятельности. Этот этап, требующий синтеза самой раз­личной информации, прогнозных проработок, а при необходимости и прове­дения дополнительных исследований на территории бассейна, является наи­более наукоемким.

Основная сложность этапа заключается в определении приоритетов проблем - какая из проблем является наиболее важной для конкретного вод­ного объекта:

— наводнения и соответственно защита от них (восстановление плотин, строительство защитных дамб, вынос жилых и производственных зданий из зоны затопления, укрепление мостов, перенос автодорог и пр.);

— ухудшение качественного состояния водных объектов (севтрофикация водохранилищ, невозможность использования водных объектов в целях рек­реации и в качестве источника питьевого водоснабжения, снижение рыбо­продуктивности, биологического разнообразия флоры и фауны и пр.);

— дефицит водных ресурсов для осуществления основных видов хозяйст­венной деятельности на территории (основание для строительства новых во­дохранилищ, переброски части стока из других бассейнов и т.д.);

— ухудшение состояния здоровья населения вследствие использования питьевой воды, не отвечающей требованиям нормативных документов (строительство и расширение мощности станций водоподготовки, внедрение современных схем очистки и обеззараживания воды, проектирование зон са­нитарной охраны источников питьевого водоснабжения, поиск альтернатив­ных источников).

На этом этапе разрабатывается концепция программы действий, где формулируются принципы водохозяйственной политики, конечные и промежуточные цели, основные направления и мероприятия, их региональная специфика, сроки и методы реализации.

Достижение сформулированных целей предполагает такую организа­цию хозяйственной деятельности, при которой экологический и экономиче­ский факторы интегрируются в процессе планирования и реализации целевой программы. При этом должна обеспечиваться природно-ресурсная база экокомического развития территории, высокое качество водных ресурсов и ох­рана здоровья населения.

Важное значение при постановке целей и их последующей реализации имеет существующее правовое пространство, возможность обоснованного юридического обеспечения осуществляемых водохозяйственных и водоох­ранных мероприятий, реализация функций управления водными ресурсами и правовая оценка каждого из предлагаемых методов достижения целей.

3. Математическая модель планирования развития бассейновой

ВХС на примере модели орошаемого земледелия

Особенности орошаемого земледелия заключаются в том, что водные ресурсы потребляются в течение всего периода вегетации, а доходы посту­пают только в его конце. Поэтому требует изучения вся пространственно-временная схема распределения воды, а доход выражается как функция от этого неизвестного распределения. Максимизация чистого дохода от ороше­ния может быть одним из возможных критериев оценки планов развития орошаемого земледелия. Однако следует отметить, что план развития ороше­ния, обеспечивающий наибольший чистый доход, не обязательно будет обес­печивать наибольшую занятость рабочей силы или получение максимума сельскохозяйственной продукции, или дохода от экспорта, хотя для разви­вающихся регионов перечисленные цели могут быть более важными, чем максимизация чистого дохода. Далее будет рассматриваться несколько целе­вых функций.

Имеются детерминированная и стохастическая модели планирования орошения. Детерминированные модели ориентированы на описание сравни­тельно однородных природно-климатических условий. В научной литературе освещены постановки и реализации детерминированных задач для разных уровней принятия решений - от оценки развития сельскохозяйственной ком­поненты производительных сил страны до проекта локальной оросительной системы, включая задачи регионального и бассейнового уровня. Двухэтапная стохастическая модель позволяет оптимизировать как стратегию развития, так и программу реализации решений. Такие модели предпочтительны для решения проблем орошаемого земледелия в зонах неустойчивого увлажне­ния, а также при анализе устойчивости сельскохозяйственного производства к изменениям климата.

Детерминированная модель планирования орошения. Территория планируемого региона, как правило, неоднородна по составу почв участков, на которых предполагается выращивать различные сельскохозяйственные куль­туры. Чтобы определить, какие участки следует зводить под ту или иную культуру, необходимо учитывать зависимость урожая от природных условий, вида возделываемой культуры, норм и сроков поливов и внесения удобрений, наличия трудовых ресурсов и сельскохозяйственной техники, эффективности использования природных ресурсов.

Путем районирования на территории региона выделяются подрайоны, однородные по составу почвы, а для орошаемых участков - и по рельефу ме­стности, чтобы обеспечить одинаковые транспортные расходы на водоподачу. В модели можно учесть возможность использования подземных вод в ка­честве дополнительного источника воды в те периоды, когда поверхностного стока не хватает, рассмотреть в составе водных ресурсов источники разных видов. Как правило, использование подземных вод наряду с поверхностным стоком возможно при условии, что уровень залегания подземных вод нахо­дится ниже уровня реки и, следовательно, влияние подземного водозабора на поверхностный сток несущественно.

Модель планирования орошения позволяет получить количественные оценки всех используемых производственных ресурсов (рабочей силы, удоб­рений, пестицидов, семян, машин и оборудования, капиталовложений или кредитов и т.п.) и соответствующих этим ресурсам издержек, определить площади и виды возделываемых культур, отраслей животноводства. При не­обходимости в рассмотрение могут быть включены рыночные цены на про­изводимую продукцию. Все это исследуется с точки зрения максимизации чистого дохода. Здесь будут сформулированы ограничения для простой мо­дели планирования орошения, чтобы проиллюстрировать, как могут быть оценены зависимости между всеми используемыми ресурсами и конечным урожаем.

Ограничения задачи подразделяются на несколько групп и служат для описания растениеводства (с выделением ведущих культур, способов их воз­делывания и учетом способов полива), животноводства (включая балансы производства и потребления кормов для получения основных видов живот­новодческой продукции), структуры земельных угодий (пашни, многолетних насаждений, сенокосов и пастбищ), структуры водных источников для оро­шения и водоснабжения, выноса биогенных элементов с сельскохозяйствен­ных угодий.

В качестве примера рассматривается бассейн Нижнего Дона. При раз­работке сценария численных расчетов ставилась задача определить потенци­альные возможности производства различных видов продукции растениевод­ства в зависимости от имеющегося ирригационного фонда, свободных вод­ных ресурсов и изменений в структуре производимой продукции.

Экономико-математическая постановка задачи оптимального исполь­зования орошаемых земель в бассейне Нижнего Дона предполагает возмож­ность последовательной оптимизации по нескольким критериям:

— на максимум производства отдельных видов сельскохозяйственных культур или их групп (в натуральном и стоимостном выражении);

— на минимум водных ресурсов, используемых на выполнение програм­мы по выпуску заданных объемов производства отдельных видов культур или их групп;

— на максимум валового или чистого дохода от производства продукции растениеводства,

где- номер водохозяйственного участка;у - номер оросительной систе­мы; - переменные модели (площадь орошения под 1-й культурой в r-м севообороте);- оросительная норма 1-й культуры;

оросительной системы;- чистый доход от производства 1-й культу-

ры;- урожайность 1-й культуры.

Система ограничений модели имеет блочную структуру. Состав групп ограничений, включаемых в каждом конкретном случае, опреде­ляется ЛПР в зависимости от целей решения задачи. Построение задан­ной структуры матрицы ограничений осуществляется с использованием специально разработанного интерфейса.

Рассмотрим основные блоки ограничений.

Блок ограничений по водным ресурсам включает;

а) отдельные ограничения на объем оросительной воды, выделяе­
мой в целом по бассейну,

где- лимит воды, определенный схемой комплексного использования и охраны водных ресурсов для орошаемого земледелия;

б) ограничения на забор воды по отдельным оросительным системам

где- лимит воды дляу-й оросительной системы, определяемый техниче­скими параметрами ОС;количество оросительных систем научастке.

Правые части этой группы ограничении задаются параметрически на основе предварительного решения водно-балансовых задач в целом по бас­сейну реки с выделением расчетных водохозяйственных участков. Парамет­рическое задание свободных членов этой группы ограничений позволяет ли­цу, принимающему решение, изменяя объем выделенных водных ресурсов, анализировать предельную степень полезности водных ресурсов в орошении при фиксированных значениях других видов ресурсов.

Блок ограничений по ирригационному фонду включает ограничения по «объединенным» и отдельным оросительным системам на размер фактически. чествующих площадей или имеющегося ирригационного потенциала для: нивания сельскохозяйственных культур или их групп, при этом учиты­вается качество имеющихся земель:

где- наличный ирригационный фондоросительной системы.

Блок продуктовых, ограничений включает задания на выпуск различ­ных видов сельскохозяйственных культур или их групп: зерновых, риса, овощных, кормовых, плодово-ягодных. Задания на выпуск по группам культур определяются на основе предварительного решения задачи реги­онального продуктового баланса с учетом экспортно-импортных поста­вок сельскохозяйственной или конечной продукции. Ограничения задают­ся в целом по бассейну реки, по отдельным участкам и оросительным системам. Параметрически изменяя задания на выпуск абсолютного объ­ема продукции или на выпуск дополнительного объема продукции на орошении по сравнению с богарой, ЛПР имеет возможность исследо­вать влияние лимитирующих водно-земельных ресурсов на объем про­изводства сельскохозяйственных культур:

где.- задание на выпуск 1-й культуры.

Блок ограничений по трудовым ресурсам включает ограничения в целом по бассейну и по отдельным оросительным системам на суммар­ный объем трудозатрат на эксплуатацию оросительной сети и непосред­ственно на сельскохозяйственное производство. Исходные данные для правых частей ограничений определяются из решения задачи по состав­лению регионального баланса трудовых ресурсов;

где- удельные затраты труда на возделывание 1-й культуры; - «ли­миты» трудовых ресурсов в зоне у-й ОС.

Блок ограничений по затратам денежных средств включает ограниче­ния на объем эксплуатационных затрат и инвестиций для освоения сво­бодного ирригационного фонда:

где- удельный норматив затрат на сельскохозяйственное возделыва­ние /-й культуры;- финансовые возможности хозяйств, расположен­ных в зоне у-й оросительной системы, связанные с сельскохозяйствен­ными издержками.

Блок технологических ограничений содержит группы ограничений по доле севооборотов в составе сельскохозяйственных угодий для отдельных систем и ограничения по доле отдельных культур в севообороте:

где- доля r-го севооборота, принимаемая на основе региональной си­стемы земледелия;,- соответственно максимальная и минималь­ная доли культур в г-м севообороте.

Дополнительно в модели учитываются ограничения на обеспечен­ность различными видами сельскохозяйственной и поливной техники и различными видами удобрений.

Контрольные вопросы:

1. В чём заключается основная цель создавши оптимальной ВХС?

2. Перечислите основные составляющие информационной поддержке системы принятия решений при планировании водохозяйственной деятельности.

3. В чём заключается принцип разработки целевой программы водо­охранной и водохозяйственной деятельности?

4. Как определяют оптимальные параметры ВХС и необходимые ка­питальные затраты на реализацию водоохранных мероприятий в бассейне реки