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.[ ...]
Выбор подобного варианта зависит от множества разнообразных факторов. Например, экономическая составляющая определяется капитальными затратами и эксплуатационными издержками на подачу воды водопользователям, водоподготовку, строительство и эксплуатацию очистных сооружений, плотин и сбросных сооружений, защитные мероприятия от вредного воздействия вод и пр. Экономическая эффективность систем водопользования описывается связью между количеством используемых водных ресурсов и объемом выпускаемой продукции (производственными функциями). Экологическая составляющая определяется качеством природных вод, т. е. зависит от состава и концентраций всевозможных ингредиентов в воде. Значения этих компонент обусловливаются совокупностью физических, химических, биологических и иных процессов. Таким образом, с прикладных позиций математические модели систем водопользования имеют ярко выраженный междисциплинарный характер. Постановка и формализация соответствующих задач требует рассмотрения комплексной проблемы рационального водопользования с различных точек зрения (аспектов).[ ...]
Важная особенность систем водообеспечения состоит в том, что выбор управляющих воздействий в этих системах осуществляется по иерархическому принципу. Это относится не только к долгосрочному планированию водопользования, но даже и к оперативному управлению. Конечно, число уровней иерархии зависит как от масштаба водного объекта, так и от сложности его структуры. Иерархичность управления не означает, однако, полного подчинения нижележащих управляющих структур верхним органам управления. Как правило, подчинение выражается в том, что на более высоком уровне принимаются общие (стратегические) решения, а на последующих уровнях они поэтапно конкретизируются с учетом местной обстановки.[ ...]
Все природные процессы, влияющие на функционирование и развитие ВХС, естественным образом интерпретируются как непрерывные. Этого нельзя, однако, сказать обо всех параметрах управления и, тем более, о технических характеристиках водохозяйственных и водоохранных сооружений, что обуславливает появление во многих моделях систем водопользования принципиально дискретных переменных. Кроме того, дискретность часто связана с тем, что данные собираются нерегулярно. Иногда некоторая дискретная аппроксимация вводится сознательно, исходя из вычислительных соображений. Таким образом, дискретность ряда параметров является одним из атрибутов моделей рассматриваемого типа. Несмотря на то, что решение математических задач с дискретными переменными обычно существенно сложнее, чем в непрерывном случае, это часто не препятствует их решению, что связано со спецификой структуры большинства реальных ВХС.[ ...]
Таким образом, математическое моделирование систем водопользования представляет собой многоаспектную процедуру построения взаимодействующих разноплановых задач, подчиняющихся принципу поэтапной детализации. При этом объекты моделирования являются сложно организованными многокомпонентными иерархическими динамическими управляемыми системами, функционирующими в условиях стохастичности природных процессов, а также дискретности и неопределенности ряда параметров.[ ...]
Естественно, что компьютерные реализации таких задач обладают свойствами, характерными для больших программных комплексов. Программное обеспечение таких комплексов подразделяется на основное (проблемное) и вспомогательное (обслуживающее). Основное программное обеспечение непосредственно ориентировано на решение тех проблемных задач, которые в своей совокупности образуют систему математических моделей водопользования. Вспомогательное обеспечение состоит из совокупности средств управления данными (их ввод, пополнение, удаление, корректировка, защита, проверка целостности и т.п.). Кроме того, в состав вспомогательного обеспечения входят средства визуализации результатов моделирования, графические системы, диалоговые средства, а также средства состыковки различных моделей между собой (программные интерфейсы) и другие подобные элементы.[ ...]
Требованиям к технологии разработки, тестированию, документированию, модификации и иным элементам построения и развития больших программных комплексов посвящены сотни специализированных публикаций. Отметим лишь главное отличие таких комплексов от исследовательских программ, создаваемых для научного анализа какой-либо конкретной проблемы. Исследовательские программы не требуют столь повышенного внимания к вспомогательному программному обеспечению, поскольку их разработчики и потребители если даже не являются одним и тем же лицом, то, как правило, представляют собой единый научный коллектив, изучающий данную проблему. Компьютерные системы моделей рационального водопользования представляют собой программные продукты широкого применения. В силу разнообразия решаемых задач такая система имеет чрезвычайно большой объем. Она создается не в один прием и обладает ярко выраженной блочной структурой. Поэтому с самого начала необходимо обеспечить открытость этой системы для подключения к ней новых моделей, а саму разработку программного обеспечения осуществлять, строго придерживаясь модульного принципа. В связи с бурным ростом технических и программных возможностей персональных компьютеров вопрос о качественном выполнении сервисного программного обеспечения моделей и соответствующей документации пользователей встал еще более остро. Между тем, это привело к тому, что реализация подобных программных комплексов продолжает становиться все более трудоемкой и дорогостоящей. Поэтому имеет смысл сочетать разработку новых программных комплексов с модернизацией многочисленных ранее разработанных, прежде всего за счет совершенствования их вспомогательного программного обеспечения.[ ...]
Сформулированные выше общие принципы построения моделей систем водопользования, на первый взгляд, кажутся очевидными. Однако в процессе реализации конкретных моделей разработчикам далеко не всегда удается их выполнить. В одних случаях ошибки системотехнического плана приводят к излишним трудозатратам разработчиков и/или пользователей, в других случаях они могут привести к невозможности применения модели. Приведем лишь некоторые примеры таких неточностей, которые иллюстрируют последствия несоблюдения системотехнических принципов.[ ...]
Приведем еще один пример несистемного подхода в практическом применении математической модели. В конце 80-х годов осуществлялось технико-экономическое обоснование противопаводковых мероприятий на большом протяжении рек Читинка, Амга, Нерча, Селенга и др. в Читинской области. Научной основой такого обоснования служат гидравлические расчеты неустановившегося медленно изменяющегося движения воды в естественном русле и пойме с выбором основных параметров обвалования территорий, подвергающихся затоплениям. Высокие половодья на этих реках происходят, как правило, в конце весны — начале лета в соответствии с их снеговым питанием и имеют достаточно большую продолжительность (от трех недель до двух месяцев). На реках расположено большое число городов и поселков, подвергающихся периодическим затоплениям, а также значительные площади ценных для сельскохозяйственного использования земель. Проводить сплошное обвалование этих рек не предполагалось. Однако анализ выборочного обвалования потребовал рассмотреть участки рек на большом протяжении (80-200 км для каждой из них). К тому времени уже была создана компьютерная программа расчета неустановившегося медленно изменяющегося движения воды в естественном русле. Численный алгоритм обеспечивал строгое решение одномерных уравнений Сен-Венана методом прогонки, который основывался на достаточно детальном делении реки на расчетные участки по длине и сравнительно малых интервалах времени. Однако такая высокая детализация не соответствовала той проблемной постановке задачи, которая требовалась в данном случае. В результате многочасового расчета на ЭВМ удалось лишь провести расчет единственного варианта планового расположения дамб по реке Читинка. Использовать компьютерную программу для других рек и для вариантного поиска планового расположения дамб оказалось невозможно. Для выполнения задания по проекту пришлось составить новую специальную программу расчета кривой свободной поверхности (т. е. установившегося движения воды), оценивающую оперативные изменения информации о положении дамб. Расчеты проводились для расходов, близких к максимальным половодным расходам, хотя формально в данном случае это не вполне корректно. Однако эти расчеты достаточны для оценок стоимости дамб на предпроект-ной стадии. В работе [Левит-Гуревич, 1996] показано, что необходимо установление соответствий между классификацией методов решения гидравлических задач и классификацией их проблемных постановок. Несоответствия между методом расчета и изложенной постановкой задачи устраняются посредством различных модификаций метода мгновенных режимов, которые отвечают необходимым расчетным параметрам и удобно вписываются в технические условия [Грушевский, 1982].[ ...]
Понятие управление ВХС в широком смысле объединяет как стратегические, так и тактические соображения. Действительно, оно включает в себя выбор определенных водохозяйственных и водоохранных мероприятий на долгосрочную перспективу («стратегические» параметры), а также определение и реализацию режимов работы водохозяйственных и водоохранных установок (так называемые, «тактические» параметры управления). Долгосрочные мероприятия, как правило, связаны со значительными капитальными затратами, поэтому финансовые ограничения существенно влияют на выбор конкретного решения. Вопросы оперативного управления включают в себя совокупность разноплановых задач: водораспределение, регулирование сбросов отработанных вод и загрязняющих веществ, пропуск потоков через гидротехнические сооружения, прохождение водного транспорта при шлюзовании и т. п. Такое многофункциональное управление подразумевает учет в используемом аппарате принятия решений как гидрохимических, так и гидробиологических, медико-биологических и иных подобных факторов, определяющих функционирование водных экосистем.[ ...]
Вернуться к оглавлению