Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ настоящего состояния водного хозяйства Литовской ССР и задачи по территориальному распределению водных ресурсов . 12 с.
1,1. Водохозяйственный баланс (ВХБ) 12 с.
1,2. Современное состояние ВХС и предпосылки единой ВХС Литовской ССР 22 с.
1.3. Содержание оптимизационной задачи распределения водных ресурсов по территории 26 с.
1,4. Анализ'литературы по данной проблеме 27 с.
2. Математическое описание задачи 37 с.
2,1. Выбор типа модели 37 с.
2,2. Определение критерия водохозяйственного оптимума 40 с.
2.3. Постановка транспортно-распределительной задачи линейного программирования (на примере алгоритма МОДИ) У . 42 с
2.4 Постановка транспортно-распределительной задачи нелинейного программирования (на примере алгоритма метода покоординатной оптимизации) 46 с
3 Исходные данные и методика оптимизационных расчетов 51 с
3.1. Исходное определение способа распределения воды между потребителями в условиях Литовской ССР V 51 с
3.2. Установление последовательности выполнения оптимизационных расчетов по территориальным водохозяйственным единицам . 53 с
3.3. Характеристика водохозяйственного региона Юго-Восточной Литвы 58 с
3.3«І. Анализ физико-географических условий и возможностей регулирования стока58 с
3.3,2, Структура перспективной ЖС региона и уровни ее агрегирования, 62 с
3.4, Расчетные характеристики исходных данных65 с
3.411; Водные ресурсы (ВР) 65 с
3.4.2. Водопотребноети 72 с
3.4.3. Технико-экономические показатели 78 с
3.4.4. Показатель приведенного расстояния'80 с
3.4.5. Другие оценочные показатели 84
3.5. Согласование критериев оптимальности 86 с
4. Анализ результатов оптимального территориального перераспределения поверхностных водных ресурсов в регионе юго - восточной Литвы 90 с.
4.1, Структура водохозяйственных мероприятий по водообеспечению промышленных центров региона,90 с,
4.1.1, Использование русловых запасов воды, 90 с.
4.1.2, Использование регулированного стокаі 97 с.
4.1.3, Анализ перебросок стока 107 с.
4.1.4.; Структура водохозяйственных мероприятий по водообеспечению г. Вильнюс .110 с.
4.1.5. Водообеспечение других городов региона117 с.
4.2, Анализ стабильности оптимальных решений 122 с.
4.2.1. Структурная стабильность123 с,
4.2.2. Экономическая стабильность129с,
4.3, Обоснование применения обобщенного показателя приведенного расстояния134 с.
5. Практическое осуществление методики планирования оптимального распределения поверхностных водных ресурсов mew потребителями 141 с.
5.1. Возможности методики и замечания по использованию моделей 141 с.
5.2. Практическая применимость методики (на примере водообеспечения г. Утяна). 144 с
Выводы. 151 с
Литература. 155 с
Приложения. 171 с
- Современное состояние ВХС и предпосылки единой ВХС Литовской ССР
- Определение критерия водохозяйственного оптимума
- Установление последовательности выполнения оптимизационных расчетов по территориальным водохозяйственным единицам
- Анализ стабильности оптимальных решений
Современное состояние ВХС и предпосылки единой ВХС Литовской ССР
Множество действующих в республике гидроузлов как крупных, так и мелких, как комплексного, так и одноотраслевого назначения в целях удовлетворения разнородных требований водообеспечения объединяются в ВХС. В качестве примеров таких ВХС в Литве можно указать: система обводнения г Капсукас, которая, следуя классификации М.И. Сыроежина соответствует "каскадной ВХС межотраслевого назначения"; ВХС водообеспечения г, Шяуляй, содержащая в себе переброску воды из р. Дубиса (" межбассейновая многоотраслевая ВХС"); ВХС по переброске части стока р.Швянтоии в р.Нявежис (около 4 м/сек), действующую уже лет, следует отнести к "межбассейновой одноотраслевой ВХС.с локальной переброской стока" Строящаяся ВХС в бассейне р. Обялис (притока р. Нявежис) - "каскадная одноотраслевого назначения", В водохранилищах этой системы будет накоплено 14 млн. м воды, что позволит орошать более 5 тыс. га сельскохозяйственных угодий. Данная ВХС послужит аналогом для про-ектировашя будущих совершена мелиоративнк систем/4 Помимо приведенных примеров ВХС, которые по своим масштабам относятся к "бассейновым" ВХС [3.222 в республике действует очень большое количество мелких так называемых "участковых" ВХС, локально решающих разнородные задачи водообеспе-чения. К ним можно отнести системы водоснабжения отдельных крупных хозяйств, мелиоративные системы осушения и орошения (кстати нужно признать, что в рамках их производится перераспределения стока хотя и небольшого масштаба), польдерные системы в дельте р. Нямунас и др. Разумеется, что только сравнительно крупные, в основном межхозяйственные (как например, на р. Обялис), построенные с учетом комплексного использования и охраны ВР, следует считать "бассейновыми"ВХС. Кроме действующих ВХС по распределению стока во времени и перераспределению по территории республики существует еще много проектов ВХС, включающих в себя переброску стока, подача воды где намечается под напором. К таким относятся проекты по водообеспечению городов Клайпеда (из р. Миния), Утя-на (из р. Швянтойи), Рокишкис (из р. Швянтойи, оз. Сартай), Тельшяй (из р. Вирвите), Расейняй (из р; Дубиса) и др. Осуществление данных проектов пока по разным причинам задерживается. Перераспределение стока по территории ведется как правило после сооружения регулирующего сток водохранилища. Действу щее в настоящее время регулирование стока рек республики основано главным образом на базе малых водохранилищ. За счет их удовлетворяются потребности чаще всего одной отрасли -это упомянутые "участковые" ВХС. Например, по республике в 1981 г, было всего 641 водохранилище и пруд. Из них 287 по \/ площади меньше 5 га, а по полному объему имелось всего 7 водохранилищ, превышающих 10 млн; м.
Лишь 23 водохранилища имело комплексное назначение. Водохранилища, проектируемые республиканским институтом проектирования водного хозяйства, хотя и принимаются в основу перспективных бассейновых схем комплексного использования и охраны ВР, в действительности являются малыми. Опираются они на небольшие водосборные площади, расчитываются на незначительный подпор и сработку всего на I - 1,5 м, что практически не гарантирует регулирующего эффекта.7 По предназначению данные водохранилища будут удовлетворять интересы отдельных хозяйств. Поэтому проблемно встает вопрос самой комплексности использования ЕР. Видимо, при системном исследовании перераспределения стока по территории республики, "участковые" ВХС следует учитывать по их суммарному эффекту. Также можно заключить, что они,ввиду слабых своих возможностей в регулировании стока, не могут стать базой в осуществлении перераспределения стока в региональном масштабе. Формирование и развитие ВХС в республике предопределяет все. заметней проявляющаяся тенденция перерастания локальных водных проблем в единую водную проблему республики. Становится явным, что на развивающееся ВХ строительство нельзя смотреть как на строительство отдельных ВХ объектов, а необходимо смотреть как на строительство единой системы. Технические предпосылки создания такой единой ВХС обусловят темпы развития научно-технического прогресса и общее состояние производительных сил как республики так и страны в целом. Одно из основных принциішальннх положений формирования единой ВХС /4.28] гласит о том, что "оценку любого планируемого на перспективу ВХ мероприятия или этапа развития необходимо осуществлять из его места в перспективной ВХС",
Это и есть применение системного подхода в ВХ планировании в самом широком смысле его понимания. Реальные предпосылки создания крупных ВХС и объединения их в единую ВХС Литовской ССР может воплотить только крупное (разумеется по масштабам республики) регулирование стока, В настоящее время только отдельные гидроузлы можно рассматривать как элементы перспективной единой ВХС, Изучение технических возможностей регулирования речного стока по республике /p. Z/ выявило, что в 194 водохранилищах можно накопить поч о ти 2,8 км полезного объема воды. По нашему мнению лишь использование данных потенциальных возможностей регулирования стока может обеспечить успешное решение поставленной задачи. Однако приходится сожалеть в том, что данный ценный исходный материал [B.7J еще не привлекает должного внимания со стороны высоко поставленных плановых и проектных организаций. Несмотря на то, что наше исследование ограничивается в ос-новномодним ВХ регионом (юго-восточная часть Литовской ССР), методологические подходы реализации единой ВХС республики являются равнозначными. Исследование мы строим так, чтобы оно явилось первым этапом в форшровании и обосновании единой ВХС республики, а выбор последующего этапа ее развития допускал . бы возможность дальнейшего многовариантного развития системы.
Определение критерия водохозяйственного оптимума
По вопросу определения конечной цели решения задач оптимизации ЖС как и сложных систем энергетики [3.1$] могут быть две основные постановки: I. минимизация совокупных народно-хозяйственых затрат на получение заданного объема продукции от данной системы при выполнении всех ограничительных условий ее развития; 2. максимизация народнохозяйственного эффекта ("прибыли") от развития данной системы. Учитывая большую условность фиксирования на длительный период цен на продукцию данных систем предпочтение отдается первой постановке. Початому основным критерием оптимизации обычно принимается минимум так называемых приведенных (денежных) затрат, соизмеряющих с учетом фактора времени единовременные (капиталовложения) и ежегодные (эксплуатационные) расходы/3". 1J: где 6 -нормативный коэффициент эффективности капитало- . вложений, К - капиталовложения, И - ежегодные расходы. Это выражение справедливо для статической ситуации, ког да сооружение и оввоение ВХС осуществляются в течение одного года, а в последующем их показатели остаются неизменными, «Ирш определения приведенных затрат сопоставляемых вариантов ЖС за период Т с учетом фактора времени в случае приведения к последнему году расчетного периода можно воспользоваться формулами В.В. Болотова, Д.С. Щавелева или М.А. Чернина, приводимыми ъ[%-Л5]. Наиболее ясной по своему содержанию из них является форлула В.В. Болотова: где Инэ- ежегодные издержки "нормальной эксплуатации".
При всем известном многообразии постановок критерия оптимальности уместно отметить невозможность применения универсального критерия, так как "решающим фактором, относительно распределения ВР в критических условиях может быть только специфика нужд отдельных водопотребителей с учетом их значения для народного хозяйства"0-M6J. ВХС является частной и региональной системой народного хозяйства. Поэтому критерий оптимальности будет локальным критерием. B0JdJдоказывается, что существует локальный критерий, наиболее полно соответствующий народнохозяйственному оптимуму. Это локальный критерий народнохозяйственной эффективности, а его сущность для ВХ, следуя C5.3J, излагается через выражение: где Р - вектор приведенных оптимальных цен всех ресурсов, t - момент.времени, CL - произвольный параметр интегрирования, Х= X.у Х2у..., Хр.",Хп - вектор производства и затрат ресурсов для у-го элемента ВХС. Данная общая формула сложна и неудобна в применении, поскольку локальный критерии выражает через изменения первичных параметров модели. Могут быть построены более цростые ее модификации. Напр., при допущении, что оптимальные цены ресурсов не зависят от мощности ВХС, выражение (2.3) превращается В : дит в критерий интегральной прибыли Оценив рассмотренные постановки критерия оптимальности было решено в целях оптимального планирования ЕХС применять критерий полных приведенных затрат, включающий капитальные и текущие затраты: Данный критерий по мнению разных авторов (Ю.П» Бурнейкис Z3.J/, И.В. Бусалаев /J.4J) считается наиболее правомерным. 2.3. Постановка транспортно-распределительной задачи линейного программирования (на примере алгоритма МОДИ) Транспортно-распределительная задача линейного программирования в классической постановке сформулирована B[3.7J. Данная формулировка, применительно к задаче оптимального . планирования распределения поверхностных ВР между потребителями, будет иметь следующий вид.
Имеется /77 водоисточников ( А1, . .., А у ...у Ат ) и П водопотребителей ( В ,..., В;,. v Вп ). Ресурсы водо источников а. и размеры спроса на воду а каждого водоисточника заданы фиксированно в одних и тех же единицах (м/сек, л/сек, млн. м /год, сезон, месяц). Известны тран- . спортные издержки С-- , связанные с подачей воды из і в / . Они здесь - скорее условное понятие, так как могут означать себестоимость, растояние, время, потери напора, объем зем-лянных работ и т.п. Требуется найти расходы воды Q.., по-даваемые из і -того водоисточника j -тому водопотребите-лю так, чтобы суммарные расчетные затраты по рассматриваемой ВХС были минимальными: Задача включает т»п переменных Q;; и (т+п) ограни-чений. В оптимальном плане из т П прикреплений потребителей к источникам возможных будет не более (ії)+П—1) . Данная задача, в которой требуется минимизировать функционал. (2.6) при условиях (2.-7), (2.8) и (2.9) называется открытой транспортной моделью. Открытую модель мы свели к замкнутой, введя фиктивный водопотребитель В i с объемом потребления, равным: где величина О . определяет суммарный объем. свободных ресурсов. Б данном случае она приравнивается 0. Алгоритм модифицированного распределительного метода (МОДИ), являясь одним из точных методов решения транспорт-но-распределительной задачи линейного программирования, был запрограммирован на языке ФОРТРАН 37 и реализован в системе ДОС/EG на ЭЕМ М 403о/3-.Я7» В рис. 2.2 приводится блок-схема данного алгоритма, которую следует несколько объяснить. Исходные данные вводятся в виде платежной матрицы, рассмотренной, напр. Ее назовем и . и составляют нагрузки узлов источников О- и потребителей а- вместе с определенными С- .
Установление последовательности выполнения оптимизационных расчетов по территориальным водохозяйственным единицам
Важным элементом решения задачи оптимального планирования ВХС является водохозяйственное (ВХ) районирование территории Литовской ССР. На ее основе должна строится иерархическая структура единой ВХС республики. Вопрос ВХ районирования уже. давно является и еще долго будет предметом научных исследований. Подготовка и обоснование какого либо нового варианта районирования не входит в круг наших целей и в содержание поставленной задачи.
В настоящем исследовании мы опираемся на принятое ВХ рай онирование {5.2.}6.Щи последующие ее обоснования по так называ- \ емому принципу единства поверхностных Ъ?/%-.31. 34], содержащее ] . 18 EX районов. Большинство ВХ районов - небольшие по площади бассейны рек. / Они не имеют четко выраженной ЕК структуры, перспективные ЕХБ в их пределах не увязываются. Рассматривать же всю территорию республики как ВХ единицу пока нерационально из-за значитель- \\ ной неопределенности исходной информации. В следствии данных обстоятельств было проведено некоторое укрупнение ЕХ деления. Основными принципами укрупнения служили сложившиеся и намеча- \ емые межбассейновые водохозяйственные связи. Выделенные территориальные ВХ единицы были приняты за исходные для проведения оптимизационных расчетов распределения іу р поверхностных ВР по сформулированным выше математическим моделям. Для увязки промежуточных и конечных результатов оптимизации была установлена последовательность проведения расчетов по ВХ единицам. Она учитывает естественно сложившуюся гидрографическую сеть, ее характеристики, особенности строения рельефа, вместе с тем способствует более детальному рассмотрению территории республики. Приведем краткую характеристику выделенных ВХ единиц и установленной последовательности (см. рис. 3.1). I. Регион Юго-Восточной Литвы. Внего вошли районы среднего участка р. Нямунас (Неман), бассейнов рек Мяркис, Нярис (Вилия), Жеймяна, Швянтойи. Им присуши: естественно выравненый сток, значительные располагаемые русловые ВР, удобные условия для создания сток регулирующих русловых и озерных водохранилищ. В пределах региона расположены крупнейшие промышленные центры республики: города Вильнюс, Каунас, Алитус, Йонава, Утяна, Укмярге и др. 2. Регион Средней Литвы. Он включает ВХ районы бассейнов рек Дубиса, Нявежис, Му-ша, Нямунелис, которые характеризуются неравномерным внут-ригодовым режимом стока, исключительно малыми располагаемыми русловыми ресурсами, крайне неблагоприятными условиями для осуществления регулирования стока (кроме русла р. Дубиса, где, ввиду глубокой и узкой долины, возможны крупнейшие среди малых рек республики сток регулирующие водохранилища: о 7 водохранилищ с общим полезным объемом 0,34 км ). Водопотребление региона сконцентрировано в основном в трех городах - Шяуляй, Панявежис, Кедайняй. К тому же степень напряженности ЕХБ в летнем лимитирующем сезоне существенно повышает отъем воды для нужд орошения.
Неблагоприятные условия в водообеспечении городов компликует плохое качество русловых вод. Обострившиеся водные проблемы региона способствовали к ускоренному развитию ВХС.Поэтому, при моделировании оптимальной структуры данной региональной ВХО, необходимо учитывать сложившиеся внутри и межбассейновые БХ связи: р. Дубиса - р. Муша, р. Левуо - р. Нявежис, р. Швянтойи - р.:. Нявежис, Кстати, последнюю необходимо рассматривать в последствии распределения ВР в пределах ВХ региона Юго-Восточной Литвы. 3. ВХрайон бассейна р. Юра. Он характеризуется неплохими условиями создания регулирующих емкостей (20 водохранилищ с общим полезным объемом 0,26 км ). Водопотребителям, приуроченным в основном к руслам рек (г. Таураге, г. Скаудвиле), свойствены умеренные опросы и невысокие темпы их роста. Обостряется проблема воды питьевого качества. Это, как и намечаемую переброску части стока р. Дубиса, следует учесть при проведении оптимизационных расчетов по распределению ВР между потребителями. 4. ВХ район нижнего участка р. Н я м у н а с. Он характеризуется значительными русловыми запасами ВР. Крупные концентрированные водопотребители отсутствуют. В результате балансовых расчетов определяются свободные ВР, которые могут предназначаться для осуществления возможной переброски в бассейн р. Шяшупе (удовлетворение потребностей орошения и улучшение водообеспечения г. Шакяй). 5. ВХ район р. Шяшупе. Он отличается малыми ресурсами поверхностных вод, неблагоприятными условиями для осуществления регулирования стока. Почти все промышленные центры района города Капсукас, Вил-кавишкис, Казлу Руда, Шакяй, Кибартай имеют затруднения в водообеспечении. В оптимизируемой модели распределения ВР следует учесть возможное использование свободных ресурсов среднего и нижнего участков р. Нямунас. 6. Регион Западной Литвы. Он охватывает бассейны р ; Миния и малых рек, впадающих в Балтийское море. Условия регулирования стока в пределах региона очень различны. Уже в настоящее время проявляется глубокий дефицит технической воды в г. Клайпеда, г7 Плунге. Покрытие их возможно лишь путем регулирования стока и переброски внутри региона. 7. ВХ район бассейна р.-Вянта. _. Его характеризуют неравномерные условия создания регулирующих-сток водохранилищ: значение коэффициента регулирования стока изменяется в пределах 0 - 0,6. Остро стоит проблема водообеспечения г. Телыняй, для решения которой намечается регулирование стока р. Вирвите и переброска воды
Анализ стабильности оптимальных решений
Известная особенность решения оптимизационных задач в условиях неполной определенности исходных данных - отсутствие однозначного решения, - присуща и для задачи распределения поверхностных ВР между потребителями. Поэтому исследователю важно знать в какой степени неопределенность исходных данных предопределяет неопределенность оптимальных решений задачи. Данную степень характеризуют свойства структурной и экономической стабильности оптимальных решений. Большое количество экспериментальных исследований имитационного характера, проведенных с помощью ЭВМ на основе оптимизируемых моделей, подтвердило существование и большое значение свойств структурной и экономической стабильности установленных решений. Пользуясь результатами подобных исследований можно выбрать решение, наиболее рациональное при различных сочетаниях исходных технико-экономических показателей ВХС и отдельных гидротехнических сооружений, а также предусмотреть возможность корректировки принимаемых решений на последующем этапе формирования ВХС в соответствии с уточненной информацией об учитываемых факторах, Свойство структурной стабильности оптимальных решений по планированию ВХС проявляется как способность оптимальных решений реагировать на существенное изменение значений исходных данных относительно небольшим изменением схемы ЖС и параметров ее элементов.
Значения структурной стабильности оптимальных решений определяли по двум подходам: I. при изменении нормативного коэффициента эффективности капиталовложений Е на + 20 %, т. е. Е = 0,10, 0,12, 0,14 и 2. при дискретно изменяющихся структурных поназателях ЖС (согласно уровням агрегирования модели) и показателях узлов водоснабжения и потребления (вариантная постановка ВХБ). Сводные данные по наиболее стабильным Ж мероприятиям приводятся в табл. 4.3., что в информативном отношении является значительным дополнением к иллюстрациям рис. 4;3., 4.4.: и 4.6. Как видим степень структурной стабильности решений не зависит от содержания Ж мероприятия. Более высокую стабильность оптимальных решений, проявившуюся при первом подходе, можно объяснить однородностью исходных данных (технико-экономических показателей) и функции цели (единственный критерий оптимальности), при которых эти решения были определены. Малый диапазон вариации оптимальных решений в данном случае в значительной степени обусловлен существенно нелинейным К II-ому подходу соответствует как пестрая картина неоднородных исходных данных так и ряд несопоставимых критериев оптимальности, что план распределения ВР в итоге представляется многочисленными вариантами решений. Несопоставимость исходных данных не представляет возможности для частичной взаимной компенсации влияний изменения исходных данных, которая, как правило, проявляется при оптимизации распределения по одному критерию оптимальности, В приводимой табл. 4,3 не отражается еще одна установленная закономерность: диапазон оптимальных решений зависит от количества взаимозависящих связей между элементами ВХС, степени напряженности баланса между значениями узлов потребления и источников ресурсов и, наконец, от сложности моделей. Он расширяется: I. при переходе от моделирования распределения ВР на основе ВХС низкого порядка (напр,, "бассейновая одноотраелевая" или "участковая ВХС") к ВХС более высокого, порядка (напр., "межбассейновая многоотраслевая ВХС"); 2, при переходе от вариантов со сработкой водохранилищ на. 1/3 высоты подпора к вариантам со сработкой на 1,5 -I м; 3. при переходе от моделей, основанных на линейном оптимизируемом функционале к кусочно-линейным моделям (2.20) Последние два закономерности непосредственно отражаются на рис, 4,9,, где четко определены размеры зоны оптимальных решений: им соответствует разница в количестве связей между крайними точками кривых "а" и "б" при равнозначных вариантах ВХБ, Ширина данных зон увеличивается плавно в определенных пределах по мере увеличения состава действующих элементов ВХС и увеличения количества связей;; Это гласит о высокой степени структурной стабильности решений. Такие ВХ мероприятия, как устройство регулирующих сток водохранилищ на реках Вильня, Воке, Стрева, оз. Сартай и др. в целях водообеспечения городов Вильнюс, Утяна," Электренай, в итоговом ив среднем оптимальном" плане определяются в качестве первоочередных j Высокая степень структурной стабильности данных оптимальных решений способствует более глубоко му их обоснованию,4 в то время, когда актуальность в их надобности не вызывает сомнений.
Посредственная степень структурной стабильности, установленная в порядке 45 - 65 %, говорит о том, что существует выбор более удачных технических решений по распределению ВР. .В данном случае планирование ВХ мероприятий (особенно по переброске стока, напр., направления: бассейн ptf Мяркис - г. Вильнюс, бассейн р. Швянтойи - бассейн р. Нярис) необходимо осуществлять при значительно расширенном предложении возможных альтернатив, при этом более шире используя имитационный подход моделирования;3 При анализе вариантов оптимального плана распределения ВР между потребителями, установленных на основе отдельных критериев оптимальности, выявлена еще одна закономерность! Она заключается в том, что некоторые решения с присущей им высокой степенью структурной стабильности имеют место только в результате расчетов на основе критерев оптимальности с преобладающими эксплуатационными моментами, напр.% критерии "расход электроэнергии", "продолжительность подачи воды". К таким решениям можно причислить ВХ мероприятия по регулированию и использованию стока рі! Раше в целях водообеспечения г, Утяна.
