Экология СПРАВОЧНИК

В настоящее время негативные последствия антропогенной деятельности на территории Российской Федерации достигли таких масштабов, при которых нормализация экологической обстановки и обеспечение экологической безопасности требуют постоянного принятия управляющими органами соответствующих решений. Острота экологических проблем обусловлена нарастанием антропогенной нагрузки на водные объекты и, как следствие, деградацией природных экосистем. Это привело к пониманию того, что необходимо реализовать комплексную технически, экономически и экологически обоснованную долговременную политику управления природопользованием, направленную, в частности, на решение сложных и взаимосвязанных проблем рационального использования водных ресурсов.

Далее

Во-вторых, как и большинство других отраслей, водное хозяйство обладает внутренней инфраструктурой (отраслевая промышленность, строительная индустрия, система подготовки специалистов и т.д.). В настоящее время наибольшие изменения претерпевают отношения водного хозяйства, связанные с его вхождением в экономику страны в качестве государственной инфраструктуры и, как следствие, в качестве естественной монополии. Эти преобразования касаются, прежде всего, внедрения принципов рыночных отношений при использовании водных ресурсов.

Далее

Математические модели систем водопользования обладают большим числом особенностей, выделяющих их в самостоятельный класс моделей прикладного характера. Эта специфика обусловлена, прежде всего, особенностями самих моделируемых объектов, значимостью воды, ее двойственным характером. Вода — это, с одной стороны, природный возобновляемый ресурс для хозяйственной деятельности, а с другой стороны, — один из элементов среды обитания человека и существования жизни на Земле. Вследствие этого обстоятельства природнотехнические системы водопользования призваны обеспечить не только экономические (хозяйственные) потребности общества, но и реализовать все необходимые экологические (природоохранные) функции. Указанный дуализм ВХС обуславливает многокритериальность соответствующих математических моделей. Наилучший (в некотором экономическом смысле) вариант параметров и режимов функционирования системы почти никогда не соответствует наиболее благоприятному экологическому состоянию водных объектов, а такое состояние, в свою очередь, не обеспечивает приемлемый хозяйственно-производственный уровень. Поэтому в глобальном смысле всегда ищется некоторый компромиссный вариант развития и функционирования ВХС.

Далее

Заметим в заключение, что крупность водного объекта не всегда непосредственно связана с уровнем принятия решений. Здесь мы говорили о специфике управления крупномасштабными ВХС. Однако современные ВХС меньшего размера или отдельные части крупных водных объектов также испытывают разнообразное воздействие природных факторов. Для них также характерно наличие неопределенности исходных данных и нестационарности протекающих процессов, влияние организационных, экономических и правовых аспектов управления [Моделирование..., 1992]. Поэтому методы математического моделирования и компьютерные технологии представляют собой основное средство повышения эффективности водохозяйственного планирования, проектирования и управления для ВХС разных масштабов.

Далее

Системология изучает системные законы, действующие в области сложных систем самой различной природы.Системотехника — это сложная и богатая содержанием область знаний, рассматривающая деятельность по созданию систем: процесс выбора системы, рождение замысла и превращение его в задание исполнителям. Системотехнику называют также планированием систем.

Далее

Настоящая глава посвящена построению системы моделей, охватывающей основные формализуемые проблемы водного хозяйства. Анализируется методология построения соответствующих математических задач и методов их решений, а также возможность получения решений комплексных проблем. Общая структуризация водных проблем проводится сначала по блокам и подсистемам задач, затем отдельные подсистемы подразделяются на конкретные задачи. Для этих задач дается их детальная смысловая (проблемная) постановка, а затем — математическая формулировка. После этого описываются информационные связи и необходимые банки данных, а также процесс поиска решений, выявляются возможности использования элементов существующих компьютерных технологий и программ. На основании всех этих этапов формулируются основные требования к постановкам, моделям, информации, программам и техническому обеспечению. Далее обсуждаются системные компоненты поддержки принятия решений, и излагается общая концепция системы. При детализации компонент выявляются особенности и специальные требования, противоречия, не полностью формальные моменты, а также вопросы, требующие дополнительных исследований. В большей степени это относится к информационному обеспечению водохозяйственного моделирования, критериям принятия решений и анализу действий ЛПР, а также к юридическим и экономическим аспектам. Общая концепция системы поддержки принятия решений состоит в изложении ее структуры и описании функционирования на основе глобальной схемы взаимодействия моделей при поиске решений. Эта схема названа нами «метамоделью». Кроме того, в настоящей главе показаны направления развития СППР в отрасли.

Далее

Проблемный аспект играет ключевую роль во всех направлениях водохозяйственной деятельности, а, следовательно, и при построении системы поддержки принятия решений. Например, технические решения относятся как к объектам и сооружениям, так и к мероприятиям водного хозяйства. Одну группу образуют проблемные вопросы отрасли — это отношения собственности, финансирование, соподчи-ненность отраслевых организаций, контроль над водопользователями и хозяйственные отношения с ними. Другая сторона проблематики — это методология исследования водохозяйственных объектов.

Далее

Формализация информационных связей математических моделей управления ВХС представляет собой абстрагированное изложение, которое удобно использовать в конкретных приложениях. Так, например, в части III настоящей монографии вводимые здесь понятия применяются для исследования взаимодействия различных моделей выбора водоохранных мероприятий в регионе. Прежде чем переходить непосредственно к указанной формализации, необходимо подробнее проанализировать приемы, применяемые при эвристической декомпозиции комплексной проблемы планирования развития водохозяйственной и водоохранной деятельности.

Далее

Выбор комплексных решений, в частности, глобального решения в рамках всей ВХС, основан на идеях декомпозиции проблем и итеративной увязки решений, высказанных в конце раздела 2.1. Примером выбора комплексных решений служит система противопаводковых технических мероприятий, включающая в себя как обвалование, так и противопаводковые водохранилища. Итерации проводятся между соответствующими двумя подсистемами СППР. Другим примером может быть комплексный выбор правил управления водохранилищами, как в межень, так и при пропуске высоких вод. Здесь проводится итеративная увязка результатов решений трех задач в рамках одной подсистемы. Третий пример локализуется в рамках проблемного блока планирования водоохранных мероприятий, в котором осуществляется увязка решений для территорий разной крупности. Эти примеры подробно раскрываются в частях II и III настоящей монографии.

Далее

Спектр проблем, связанных с информационным обеспечением математических моделей ВХС чрезвычайно широк и обусловлен как спецификой объектов моделирования, так и структурой решаемых задач. Кроме того, на разных уровнях принятия водохозяйственных решений требуется разная степень детальности и точности информации. В частности, потребность в многочисленных данных выдвигает специфические требования к организации и ведению мониторинга водных объектов. Наконец, с точки зрения полноты и достоверности передаваемой информации не последнюю роль играют экономические и правовые отношения между отдельными участниками использования природных вод, а также между управляющими органами и водопользователями.

Далее

Программное обеспечение СППР относится к классу сложных компьютерных систем, вследствие чего на его разработку, модернизацию и внедрение, как правило, может потребоваться до 50 % и более средств, выделяемых на создание всей системы в целом. Программное обеспечение подразделяется на основное (проблемное) и вспомогательное (обслуживающее). Их функции детально обсуждались в разделе 1.1.

Далее

Отраслевые компоненты состоят из нескольких видов обеспечения: организационного, правового, финансово-экономического и кадрового.Правовое (юридическое) обеспечение СППР представляет собой весь спектр нормативных документов, а также законодательных и подзаконных актов, регламентирующих взаимоотношения между юридическими лицами, ответственными за функционирование и модернизацию системы. Правовое обеспечение должно полностью соответствовать законодательству РФ. Оно регламентирует права и обязанности территориальных, отраслевых, ведомственных и иных образований, а также предприятий, организационных структур, должностных лиц и персонала, ответственных за отдельные стороны ведения СППР.

Далее

Потребности технического и экономического развития при проектировании водохозяйственных систем еще 15-20 лет тому назад рассматривались как безусловно приоритетные. Ущербом, наносимым природной среде, либо пренебрегали, либо полагали, что он представляет собой неизбежную «плату» за технический прогресс. Такой подход был в определенной мере правомерен лишь при условии, что антропогенные нагрузки на природные объекты остаются незначительными. В настоящее время влияние хозяйственной деятельности на природные процессы стало соизмеримо с их естественным ходом. Возросшая антропогенная нагрузка во многих случаях привела к необратимым экологическим последствиям. Это предопределило изменение отношения общества к влиянию хозяйственной деятельности на состояние природных объектов. Общество все больше поворачивается лицом к природе и повышает требования к качеству окружающей среды. В связи с этим изменились оценки ВХС как природно-технических систем и возникли проблемы их устойчивого развития— достижение поставленных целей при согласовании экономических и экологических потребностей.

Далее

Устойчивое развитие страны обеспечивается системой законодательных, правовых, структурных, организационных, технических и технологических мер. Правительством Российской Федерации разрабатываются основные направления социально-экономической политики. В современных условиях предусматривается ускоренный рост производства в тех регионах, где уровень развития промышленности и сельскохозяйственного производства уже ранее был достаточно высок, а также где имеются значительные научно-технические возможности для создания и внедрения современных наукоемких технологий.

Далее

Объем инвестиций в водохозяйственную отрасль, который, в конечном итоге, лимитирует скорость реорганизации управления водопользованием и модернизации всего водного хозяйства, определяется состоянием экономики страны в целом. Очевидно, что отечественные финансовые ресурсы, доступные для их вовлечения в решение проблемы совершенствования системы водопользования, в обозримой перспективе останутся весьма ограниченными.

Далее

Еще недавно в России существовали исключительно «административно-командные» методы прямого управления водными ресурсами, ориентированные в целом на реализацию «наилучших» в отрасли (или в группе отраслей) технологий использования воды и очистки сточных вод, обеспечивающих строго регламентированное уменьшение использования воды и сокращение сбросов. Альтернативны прямому управлению экономические методы. Роль экономических методов состоит в создании экономических условий для достижения тех целей охраны природной среды, без которых методы прямого управления окажутся неэффективными. Действительно, при слабом принуждении предприятий они не достигнут целей, а при слишком сильном приведут к нежелательному замедлению экономического роста вследствие чрезмерных затрат на сокращение сбросов ЗВ и закрытия предприятий. При этом при усилении принуждения экономические последствия могут проявиться раньше, чем будет достигнут приемлемый уровень загрязнения [Кречетов, 1991].

Далее

Комплекс проблем, определяющих устойчивое развитие водного хозяйства, включает в себя исследование природных процессов, развитие системы комплексного мониторинга, совершенствование организационных механизмов управления и задачи развития водохозяйственной системы (рис. 3.4.1). На формирование, перемещение и использование поверхностных и подземных вод , а также на их качество влияют разнообразные природные процессы (гидрологические, гидравлические, гидрохимические, гидробиологические, гидротермические, русловые), для каждого из которых и их совокупности требуется проводить комплекс специальных исследований. Особое внимание следует уделить изучению внутриводоемных процессов, протекающих в условиях антропогенного влияния на водные экосистемы. Эти процессы формируют качество воды, включая в себя многочисленные физико-химические, химические и биологические превращения веществ, их синтез и распад, сорбцию и десорбцию, седиментацию, взмучивание и другие процессы, происходящие на фоне гидрологического режима водного объекта. Они оказывают существенное влияние на различные химические и биологические показатели, используемые в процессе принятия решений, например, при оптимизации системы наблюдений и систематизации информации, на основании которой дается оценка и прогноз состояния водных экосистем.

Далее

Проведение водоохранных мероприятий направлено не только на восстановление экосистем в самом водном объекте, но и на удовлетворение потребностей водопользователей. Так, при рассмотрении проблем питьевого водоснабжения и рекреации, на первый план выходят меди-ко-биологические показатели качества вод.

Далее

Выбор параметров водохранилищ, обеспечивающих потребности пользователей в воде, на протяжении всей истории проектирования, строительства и эксплуатации этих объектов занимал центральное место во всей системе водохозяйственных расчетов. Научное обоснование соответствующей методологии, по всеобщему признанию, восходит к классическим работам С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля [Крицкий, Менкелъ, 1952].

Далее

В работе [Плешков, 1975] автор пытался распространить методологию обобщенного расчета регулирования стока водохранилищами на водохозяйственные системы, содержащие разветвленную сеть водотоков и несколько водохранилищ. Однако состав принимаемых предположений там не был четко сформулирован, а методы расчета не были доведены до требуемой общности. В результате критерий выбора водохранилищ, допускающих вместе со своими потребителями представление в виде целостного независимого комплекса, оказался справедливым только для отдельных простейших случаев. Интересно отметить, что идея замены групп водохранилищ одним гипотетическим еще долгое время основывалась на эвристических приемах, приводящих к различным решениям [Методические указания..., 1987]. Развитие теории обобщенного метода расчета при определении полезных объемов для системы водохранилищ приводится в разделах 4.3-4.7 настоящей главы. Однако прежде в разделе 4.2 дается краткая предметная постановка задачи выбора параметров водохранилищ, формулируются основные принимаемые упрощающие предположения, а также характеризуется строгая методика построения, так называемых, влияющих совокупностей водохранилищ [Левит-Гуревич, Ярошевский, 1980; Ярошевский, Левит-Гуревич, 1980].

Далее

Структура водохозяйственной системы описывается в математической модели ориентированным графом С = (V, А) с множеством вершин !) £ Ки дуг а £ А. Дуги ориентированы по течению воды. Основу графа (7 составляет образ сети естественных водотоков (речной системы), имеющей в плане вид дерева Т(,/, 5), где «/ С V, Б С А (линейная схема речной сети). На этой схеме выделяются вершины — образы створов, где могут сооружаться (реконструироваться) перегораживающие плотины или планируется возможность забирать воду из живого тока реки. Существующие водохранилища и пункты отъема воды также изображаются вершинами этого графа. Подмножество ,/ С V вершин графа (7, служащих образами перечисленных створов, будем называть множеством возможных створов (рис. 4.3.1). В состав возможных створов не обязательно входят устья притоков. Однако, как будет показано в разделе 4.6, для эффективности алгоритма оптимизации их все же желательно включать в число этих элементов.

Далее

Утверждение 1 (уравнение водного баланса для подграфов Сг , порожденных произвольными подмножествами II С </).Если в (4.4.4) — строгие неравенства, то в (4.4.5) — также строгие неравенства. Если в (4.4.4) и (4.4.6) — строгие неравенства, то в (4-4-У) при всех и = 1,т — 2 — также строгие неравенства.

Далее

Для описания математической постановки задачи, обеспечивающей оптимальный выбор параметров регулирования стока по потребностям водопользователей, предварительно рассмотрим расчетные методики, использованные при установке связей между параметрами, а также вид целевой функции и ограничений.

Далее

Всю область практического применения модели можно условно разделить на две группы. В первую группу входят, так называемые, объекты «прямого» применения. Здесь большинство предпосылок выполняется с достаточной точностью, а имеющиеся локальные особенности либо учитываются заранее заложенными в компьютерную реализацию ограничениями, либо требуют их специальной интерпретации, но без изменения программного комплекса. При этом модифицируются только способы анализа исходной и результирующей информации. Во вторую группу входят объекты, где, в силу местных условий, не всегда выполняются предпосылки, изложенные в предыдущих разделах настоящей главы. Эти объекты можно назвать объектами «косвенного» применения модели.

Далее

Управление водными ресурсами водохранилищ представляет собой неотъемлемый атрибут регулирования речного стока. Рационализация управления водохранилищами приносит ощутимый дополнительный эффект, иногда сравнимый с эффектом от строительства новых или реконструкции существующих водохранилищ. При этом относительная эффективность применения усовершенствованных правил управления почти всегда выше аналогичного показателя нового строительства и реконструкции, благодаря низким затратам на разработку и быстрым внедрениям таких правил. Применение математических моделей и компьютерных технологий обеспечивает совершенствование правил управления водохранилищами при единообразном подходе к их составлению с учетом специфики водных объектов.

Далее

Диспетчерские правила управления водохранилищами предназначены для следования компромиссу между всеми противоречивыми условиями водопотребления, водопользования и окружающей среды. Основу выработки этих правил составляют данные многолетних наблюдений за речным стоком и их детальный статистический анализ. В отличие от вероятностного стока объемы и режимы водопотребления чаще всего имеют детерминированный характер и лишь в отдельных случаях связаны с природными стохастическими явлениями как, например, ирригационное водопотребление.

Далее

Исходя из этих принципов, формируется состав необходимых задач, включающий в себя три основные и две вспомогательные задачи, предназначенные для проверки некоторых расчетных параметров, участвующих в решении основных задач.

Далее

При формализации основной задачи и ее подзадач важно соблюсти системные принципы равнозначности описываемых в задаче факторов и равноточности их описания. Состав факторов следует подобрать так, чтобы они имели примерно равную значимость для основной задачи. Уровни детальности описаний выбранных факторов должны быть сопоставимы. Например, нецелесообразно принимать во внимание динамическую емкость водохранилищ, но не учитывать шлюзование, вычислять русловую емкость малой реки, являющийся притоком водохранилища, объем которого во много раз ее превышает, досконально вычислять потери на испарение и изменения дополнительного испарения с водной поверхности, между тем как потери на фильтрацию определяются усреднено.

Далее

Классическая схема динамического программирования удовлетворяет следующим трем положениям: многошаговости процесса решения, аддитивности целевой функции и отделимости ограничений [Беллман, 1960; Хедли, 1967].

Далее

К многомерной схеме динамического программирования приводится не только задача выбора диспетчерских правил управления водохранилищами, но и ряд других из области водного хозяйства и мелиорации. Приведем два примера.

Далее

Шаги метода динамического программирования вложены в циклы итераций с уточнением диапазонов поиска управляющих параметров и выполнением условия стыковки уровней водохранилищ в конце каждого года с началом следующего. При этом целесообразно алгоритмически совместить итерационные процессы уточнения диапазонов поиска управляющих параметров и выполнения условия стыковки уровней.

Далее

Все задачи подсистемы управления водохранилищами имеют единое информационное обеспечение. Оно заключается в ведении специализированных баз данных (исходной информации и результатов расчетов) для рассматриваемой конкретной речной системы.

Далее

Особенности орошаемого земледелия как отрасли водного хозяйства заключаются в том, что водные ресурсы потребляются в течение всего периода вегетации, а доходы поступают только в его конце и являются функцией пространственно-временной схемы водопотребления. Максимизация чистого дохода от орошения часто используется в качестве критерия оценки вариантов его развития. Однако, следует отметить, что оптимальная структура орошаемого земледелия с наибольшим чистым доходом не обязательно будет обеспечивать наибольшую занятость рабочей силы или получение максимума сельскохозяйственной продукции или дохода от ее экспорта. Поэтому для развивающихся регионов перечисленные цели могут быть более важными, чем максимизация чистого дохода. В настоящей главе описываются несколько математических моделей орошения с разными целевыми функциями, ориентированные на решение разных технико-экономических задач.

Далее

В разделах 6.1 и 6.2 представлены детерминированная и стохастическая модели орошения, соответственно. Детерминированные модели ориентированы на сравнительно однородные природно-климатические условия. Известны 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.

Далее

Величины £)г и Тг зависят от гидрологических и геоморфологических условий. Количество наносов (I в правой части первого уравнения — это константа, зависящая от геоморфологии и характера использования несельскохозяйственных земель в районе.

Далее

Раздел посвящен оптимизационным моделям со случайными ограничениями. Подобные модели представляют собой аппарат, позволяющий анализировать риск при оптимизации развития орошаемого земледелия в условиях неопределенности, а также при определении объемов водохранилища, попусков из него и режимов управления. Последние позволяют локализовать отклонения от заданных требований внутри определенных границ для заданных уровней надежности функционирования системы.

Далее

При оптимизации производственной структуры орошаемого земледелия (разделы 6.1 и 6.2) практически не используется информация по биологии роста и развития сельскохозяйственных растений в период вегетации, а также данные об изменчивости водоподачи в тот же период. Ожидаемая урожайность yf культуры г на единицу площади Xfi участка (хозяйства) номера / оценивается для определенных количеств производственных ресурсов и на основании предыдущего опыта. Валовой доход /-го хозяйства If представляет собой произведение урожая культуры г на ее рыночную цену т. е.

Далее

Настоящий раздел посвящен анализу примеров использования математических моделей планирования орошаемого земледелия, представленных ранее. Обсуждаются как традиционные, так и сравнительно новые задачи, связанные с оценкой влияния изменений климата на ирригационное водопользование.

Далее

Проблема загрязнения природных вод актуальна во многих странах. Ситуация с середины 1990-х годов характеризуется высоким уровнем загрязнения локального и регионального масштабов, вызванного как точечными, так и распределенными источниками. Самые серьезные проблемы качества природных вод заключаются в высоких уровнях содержания нефтепродуктов, ВПК, низких концентрациях растворенного кислорода (РК), бактериологическом загрязнении, высоких концентрациях аммиака и нитратов, угрожающих использованию водных ресурсов для питьевого водоснабжения. Во многих водных объектах высок также и уровень содержания фосфора, что в совокупности с различными формами азота приводит многие озера, водохранилища и медленно текущие реки в гипертрофированно неблагополучное состояние.

Далее

Многие модели равно применимы к точечным и неточечным источникам загрязнения, хотя некоторые модели применимы лишь к задачам анализа и оценки неточечных источников.Определение химического состава и коли-индекса дождевых и талых вод с территорий различных типов сопряжено со значительными трудностями. Необходимы количественные результаты систематических исследований в различных городах страны для примерно одинаковых условий смыва загрязнений поверхностным стоком. Ориентировочные уровни загрязненности поверхностного стока взвешенными веществами и нефтепродуктами приведены в табл. 7.2.1.

Далее

При выполнении конкретных расчетов часто поголовье всех видов скота переводится в некоторые условные единицы (например, коз, овец). Оценивается также соотношение F p/Fp для разного типа населенных пунктов. При этом расчетные формулы (7.2.5)—(7.2.8) упрощаются.

Далее

Ниже приведены краткие характеристики отдельных моделей, иллюстрирующие классы сложности методов решения. В работе [Димитрова, Косторуков, 1987] представлено численное решение специализированной статической модели качества воды, основанной, как и ряд других моделей, на рассмотрении ВПК и дефицита растворенного кислорода.

Далее

Дополнительно с помощью С иАЬ2Е можно моделировать бактерии группы кишечной палочки, один неконсервативный и три консервативных ингредиента.В отечественных исследованиях также уделяется большое внимание моделям, описывающим трансформацию соединений азота, фосфора, кислорода в водной среде для анализа динамики компонентов в водных объектах, в частности, евтрофных озерах [Леонов, 1989; Моделирование режима..., 1995].

Далее

Гидрологический модуль NAM описывает процессы речного стока. Модуль предназначен для разработки компьютерных моделей гидрологического цикла типа «осадки-сток». Программная система модуля NAM может применяться независимо или как составная часть MIKE 11, в которой моделируемый сток фигурирует в качестве боковой приточ-ности в гидродинамической модели. В основу модуля NAM положена математическая модель, которая в упрощенной форме описывает поведение наземной фазы гидрологического цикла. Эта модель относится к классу детерминированных концептуальных моделей блочного типа с умеренными требованиями к исходным данным. Наряду с упрощенным модулем NAM, Датским Гидравлическим Институтом разработан более совершенный инструмент MIKE SHE, который представляет собой интегрированную систему моделирования потоков поверхностных, грунтовых и подземных вод, транспорта растворов и взвесей во всей наземной фазе гидрологического цикла [The Danish Hydraulic Institute..., 1991, a, b].

Далее

В этих уравнениях: Q — расход потока, q — боковой приток (отток), h — глубина потока, А — площадь сечения потока, R — гидравлический радиус, С — коэффициент Шези, а — коэффициент Буссинеска, g — ускорение силы тяжести, х — пространственная свободная координата, t — время (свободная координата).

Далее

Модель качества воды (WQ-модуль) связана с AD-модулем и описывает процессы химических реакций в многокомпонентных системах, включая разложение органических веществ, фотосинтез и дыхание водных растений, нитрификацию и обмен кислородом с атмосферой. Баланс масс вовлеченных компонент рассчитывается для всех точек методом рациональной экстраполяции в интегрированной двухшаговой процедуре с AD-модулем.

Далее

Превышение фиксируется, если шаг между двумя событиями меньше чем период восстановления. Кроме этого, для трех заданных временных периодов можно выдать значение превышаемой за этот период концентрации, т. е. определить порог (решение, так называемой, обратной задачи).

Далее

Математические модели выбора водоохранных мероприятий позволяют обосновать разные виды платежей и соответствующие количественные показатели в нормативных документах. Они способствуют выработке экономически обоснованной стратегии, указывающей приоритеты водоохранной деятельности с точной адресностью финансовых вложений, определенными нормативами и обеспечением правовых и контролирующих функций.

Далее

Математические модели, которые обсуждаются в следующих разделах, описывают основные компоненты водоохранных мероприятий, связанных с очисткой промышленных и коммунально-бытовых сточных вод. Для простоты записи моделей не рассматриваются процессы производственного водопользования. Принято, что сбросы сточных вод рассчитываются в критический период водности.

Далее

В комплексных многокритериальных задачах выбор решений по одному какому-нибудь критерию неправомочен. Условия многокритериальное™ диктуют необходимость построения множества Парето неулучшаемых решений по всем критериям. При этом ЛПР должен выбрать решение из получаемого набора, учитывая многочисленные неформальные условия и анализируя результаты при вариации значений исходных величин.

Далее

Рассматриваемая математическая модель предназначена для предварительной оценки и выбора состава мероприятий по охране поверхностных вод в бассейне реки. Задача формулируется как оптимизационная в, так называемой, экономической интерпретации (см. разделы 9.2 и 9.3). Требуется найти такой вариант проведения комплекса водоохранных мероприятий по бассейну в целом, который обеспечил бы качество водных ресурсов в каждом из расчетных участков речной сети не ниже заданного, а суммарные приведенные затраты 51 при этом были бы минимальными.

Далее

Настоящий раздел посвящен методологии реализации представленных ранее моделей применительно к условиям р. Волги. Планирование водоохранной деятельности в таких крупных речных бассейнах как Волжский, включает четыре основных позиции.

Далее

Предыдущие разделы были посвящены методам выбора тех мероприятий по охране вод, которые обеспечивают очистку сосредоточенных промышленных и коммунальных стоков (мероприятия первого класса). Все остальные мероприятия, рассматриваемые в настоящем разделе, отнесем ко второму классу, назвав их территориальными. Решения для территорий разной крупности (в зависимости от уровня иерархии задач) должны быть взаимно согласованы между собой и с решениями для мероприятий первого класса.

Далее

При этом ключевой становится проблема ускорения сходимости процедуры выработки решения. Она состоит в такой коррекции параметров, которая за минимальное число итераций обеспечила бы устранение возникающей невязки. Часто приходится прибегать к таким неформальным приемам как проведение серии имитационных экспериментов посредством вариации двух-трех наиболее «перспективных» параметров. Тем самым удается экспериментально «предугадать» самые эффективные способы изменения параметров при возврате к решению задач оптимизации [Ярошевский, 1983].

Далее

Перечисленные функции имитационной модели обеспечиваются тремя основными блоками: подготовительным, имитационным экспериментом и обработки результатов, содержание которых раскрывается в трех последующих разделах.

Далее

В процессе преобразования потоков в любой дуге а можно также учесть и время их запаздывания та при прохождении от входа до выхода этой дуги. Оно определяется скоростью движения потока, которая может изменяться во времени и зависеть от случайных факторов. Если при наличии запаздывания отношение (10.3.1) не является постоянным во времени, то предварительно следует вычислить среднее значение коэффициента за время та, которое и будет использоваться в дальнейших расчетах. Скорости движения потоков воды и примесей обычно столь малы отличаются друг от друга, что, как и в ряде моделей оптимизации [Проблемы надежности... ,1994]. Здесь запаздывание целесообразно принять одинаковым как для потоков воды, так и для любых примесей, т. е. не зависящим от индекса g.

Далее

В идеальной ситуации правила управления могут быть представлены заданной совокупностью потоков воды и учитываемых примесей в дугах графа. Эти потоки зависят от начального состояния ВХС, характеризуемого наполнениями всех водохранилищ системы и концентрациями примесей в них в начале периода имитации. Они зависят также от реализаций стохастических условий, определяющих сток, испарение, водопотребность некоторых пользователей и т. п. В этом случае правила управления можно получить только в результате решения некоторой стохастической задачи оптимизации на графе [Хранович, 1991]. Следует отметить, что вычислительная трудоемкость решения таких задач близка к пределу реализуемости на современных компьютерах. С одной стороны, указанная идеальная форма правил управления удобна для применения в имитационной модели, поскольку по своей общности она перекрывает любые иные. С другой стороны, можно предполагать, что еще в течение продолжительного времени потенциальные возможности такой идеальной формы не найдут практического применения. Поэтому необходимо предусмотреть некоторые предельно упрощенные альтернативные способы описания этих правил.

Далее

Приведенные примеры интегральных показателей — это лишь наиболее распространенные способы интерпретации или обобщения традиционного рассмотрения расчетной обеспеченности в годовом разрезе (пример 1). Однако даже на основе этих примеров можно сделать вывод, что имитационная модель способна обеспечить подавляющее большинство запросов пользователей в унифицированной форме (без специальной адаптации программного обеспечения). Между тем, необходимо признать, что программная реализация, создаваемая как инструмент научного исследования, значительно отличается от того программного продукта, который необходим в условиях массового применения. Таковой продукт не может быть реализован как компьютерная система средней сложности. Его создание требует значительных материальных и трудовых затраты, согласованной работы многих специалистов смежных отраслей. Если все же для выработки решений в рамках конкретного объекта требуется некоторая нетрадиционная система интегральных показателей функционирования, то соответствующая модификация программной реализации не требует коренной переделки программного обеспечения в целом. Модификация сводится к пополнению списка альтернативных способов агрегирования и создания лишь того дополнительного программного модуля (модулей), который такое нестандартное агрегирование осуществляет.

Далее

Проблема защиты от наводнений образует специфическую группу задач управления водопользователем. Само понятие наводнения все еще не вполне однозначно. Так, например, в работе [Авакян, Полю-шин, 1989] под наводнением подразумевается «...временное затопление суши водой в результате действия природных или антропогенных причин... ». Некоторые авторы полагают, что вообще нельзя говорить о наводнениях применительно к необжитым территориям, так как здесь не возникает прямого экономического ущерба. Поскольку в данной главе рассматриваются водохозяйственные системы в бассейнах рек с развитой хозяйственно-экономической структурой, под наводнениями будут подразумеваться любые поднятия уровня воды в реке выше отметки бровки русла, независимо от причин их породивших (весеннее половодье, дождевой паводок, заторные или зажорные явления, антропогенное воздействие и пр.).

Далее

Условность такого разделения состоит в том, что нельзя заранее выбрать предельно опасный паводок, не зная состав и параметры противопаводковых мероприятий, а сами параметры мероприятий не определены пока неизвестно, от какого паводка они должны защищать.

Далее

Элементарный вид полученного решения, которое не зависит ни от параметров в правой части (11.2.4) ни даже от кривой (г), позволяет его непосредственно использовать при решении задачи оптимального выбора параметров гидроузлов по условиям пропуска паводков.

Далее

В разделе 11.2. была описана методика определения формы наиболее опасного входного гидрографа паводка, имеющего максимальный расход Яр и объем И/р заданной обеспеченности р, выбираемой в соответствии с классом капитальности гидроузла. Для системы водохранилищ эта методика полностью применима, т. е. используются те же соотношения (11.2.10) и (11.2.11). Однако само вычисление параметров Яр и УУр для каждого из водохранилищ в системе основано на специальной методике, использующей ряд самостоятельных предположений.

Далее

Это значение достигается в некоторый момент времени G т.С учетом всего сказанного возникает потребность еще больше упростить решение уравнений трансформации паводка. Такая потребность обусловлена не столько вычислительными соображениями, хотя «погружение» численного интегрирования (например, по схеме Рунге-Кутта) внутрь описываемой в следующем разделе многовариантной оптимизации подразумевает использование все же достаточно мощных компьютеров, сколько стремлением обеспечить системное соответствие между точностью исходной информации, принимаемых предположений и детальностью вычислительной схемы. Учитывая оценочный характер методологии выбора расчетного гидрографа, стоимостных показателей элементов гидроузлов и упрощающих предпосылок редукционной гипотезы, для расчета максимального сбросного расхода q? предлагается заменить уравнение (11.6.3) некоторым алгебраическим соотношением. Такое предложение кажется тем более естественным, поскольку решение задачи выбора расчетного гидрографа паводка получено в виде соотношений (11.2.10)—(11.2.11), что соответствует схематизации входного гидрографа в форме трапеции.

Далее

Таким образом, схемы трансформации (11.6.10)—(11.6.11) или численное интегрирование системы уравнений (11.6.3)—(11.6.4) при начальных условиях (11.6.2) и правилах управления (11.6.7) замыкают систему соотношений, необходимую для расчета процесса трансформации паводка всей совокупностью водохранилищ с заданными параметрами противопаводкового регулирования. При этом для фиксированного варианта конструктивных параметров (а ; Ь ), 3 J такой расчет следует осуществлять по рекуррентным соотношениям, данным в разделе 11.5, двигаясь от истоков дерева речной сети к замыкающему створу. Полученный результат позволяет непосредственно перейти к описанию оптимизационной задачи выбора параметров гидроузлов.

Далее

Пропуск высоких вод представляет собой многофакторную проблему. Здесь необходимо учитывать безопасность сооружений и затопляемых территорий, недостоверность прогнозов стока, противоречивость требований участников использования речного стока, трудности своевременной подготовки водохранилищ к пропуску паводков. Поскольку интересы водопользования ориентированы также на периоды после пропуска высоких вод, возникает стремление наполнить водохранилища в конце паводка, по возможности, близко к НПУ. Управление пропуском паводков системой водохранилищ в условиях комплексного использования стока оказывается особо сложной и ответственной задачей.

Далее

При пропуске через гидроузлы паводкового стока необходимо удовлетворить двум противоречивым целям. Во-первых, требуется, по возможности, скорее сбросить все излишки воды за пределы водохозяйственной системы во избежание превышения форсированных подпорных уровней (ФПУ) водохранилищ и сокращения срока затопления территорий, когда превышены нормальные подпорные уровни (НПУ). Во-вторых, желательно обеспечить наполнение водохранилищ до отметок НПУ, чтобы в последующем использовать накопленные водные ресурсы для нужд потребителей и пользователей, а также не превысить максимальные расходы и уровни в нижних бьефах, что также связано с затоплением соответствующих территорий. Иногда для обеспечения таких расходов допускается форсирование уровня в верхнем бьефе. Управление высоким стоком может также включать в себя специальные весенние попуски в нижний бьеф для затопления пойм в интересах рыбного или сельского хозяйства, либо для промывки русла реки.

Далее

Математическая модель для выработки диспетчерских правил пропуска высоких вод (весенних половодий или дождевых паводков) системой водохранилищ предназначена для построения зависимостей сбросных расходов гидроузлов от уровней воды в водохранилищах при известных показателях паводкового притока к каждому водохозяйственному участку. Известны «стратегические» (неизменные во времени) параметры всех водохранилищ и сбросных сооружений соответствующих гидроузлов, паводковые притоки к каждому участку, сбросные расходы в начале высоких вод и требуемые сбросные расходы после окончания периода высоких вод, т. е. в начале последующего периода управления водохранилищами, предназначенного для обеспечения потребностей в воде потребителей и пользователей. Кроме стратегических параметров, зафиксированы некоторые «тактические» (зависящие от времени) характеристики функционирования системы в период прохождения высоких вод. К ним относятся такие приходные части водного баланса, как объемы дополнительного поступления водных ресурсов в каждое водохранилище за счет фильтрации и шлюзования из вышерасполо-женных участков, поступления возвратных вод от потребителей, таяния льда. Кроме того, к ним можно отнести также и некоторые расходные составляющие баланса: подачу воды для удовлетворения потребности всех водопотребителей, фильтрацию в нижележащие участки, попуски на шлюзование, потери на льдообразование и т. п.

Далее

Рассмотренная в предыдущем разделе оптимизационная модель пропуска паводка базируется на применении схемы динамического программирования. Многовариантные расчеты по этой схеме обусловливают необходимость уделить особое внимание вычислительной трудоемкости алгоритма. Среди условий и ограничений сформулированной задачи наибольший объем вычислений порождают гидравлические расчеты, агрегировано описанные гидравлической функцией (12.2.11). Поэтому выбор расчетной гидравлической методики определяет вычислительную эффективность всей задачи и представляет собой ключевой вопрос при поиске компромисса между простотой методики и ее адекватностью реальным процессам на водохозяйственных участках и водохранилищах.

Далее

Почти вся исходная информация для задач управления водохозяйственными системами, (быть может, за исключением экономической, технической и технологической части) базируется на результатах прямых наблюдений и измерений, т. е. на результатах комплексного мониторинга (КМ). Поэтому проблемы организации такого мониторинга, его составные части, выбор необходимых и экономически доступных технических средств, а также способов первичной обработки и передачи данных являются ключевыми для всего комплекса вопросов по реализации математических моделей.

Далее

Анализ и обобщение результатов наблюдений.Построение вариантов управляющих решений.Прогнозы последствий реализации решений.Коррекция управляющих решений.Кроме того, важными моментами при организации КМ водохранилищ являются адекватность используемых методов решаемым задачам и оценка репрезентативности получаемых результатов.

Далее

Малые реки — это основа формирования водных ресурсов страны. От их состояния в значительной степени зависит благополучие средних и крупных водотоков, условия жизни населения. В течение последних 10-15 лет резко обострилась экологическая обстановка в бассейнах малых рек. Происходит истощение их водных ресурсов, существенное ухудшение качества вод и часто даже необратимая деградация. Неудовлетворительная экологическая ситуация в бассейнах многих малых рек выражается также в зарастании и заилении русел, деградации водной биоты и прочих факторах. Все это обуславливает актуальность проблемы охраны и экологического оздоровления их бассейнов. Комплексный экологический мониторинг в бассейнах малых рек может помочь успешно решить эти проблемы. Отличительной особенностью такого мониторинга является его включение в систему управления состоянием бассейна не только самой малой реки, но и более крупных водных объектов (ее водоприемников), на которые при этом оказывается негативное влияние.

Далее

Одним из видов наблюдений за компонентами окружающей среды является аварийный мониторинг качества воды в водных объектах при залповых выбросах загрязняющих веществ. В настоящем разделе освещаются основные составляющие комплексной цели создания аварийного мониторинга, а также математические модели функционирования и выбора его параметров. Обсуждаются способы формализации возникающих задач, которые в своей совокупности позволяют решить ключевые вопросы об осуществлении необходимых мер защиты водных объектов от аварийных сбросов загрязняющих веществ.

Далее