Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы реализапии новой политики водопользования в уcлoвияx транзитивной экономики 18
1.1 Принципы новой водохозяйственной политики — основа формирования новой системы управления 18
1.2 Математическое моделирование рационального водопользования и задачи оптимизации охраны: специфика, особенности, практическое применение 24
2 Модели оптимизации степени очистки сточных вод 43
2.1 Основные соотношения моделей, анализ и дополнения . 43
2.2 Бассейновая постановка модели 46
2.3 Определение технико — экономических зависимостей для целевых функций 52
2.4 Этапы и метод решения 59
3 Анализ расчетов для составления водоохранной программы по бассейну реки Енисей 62
3.1 Информационное и программное обеспечение расчетов 62
3.2 Методика расчета оптимальной структуры очистных сооружений по бассейну реки. Выбор одной стратегии уп равления 77
3.3 Анализ эколого - экономической ситуации в бассейне реки Енисей 100
3.4 Проблемы и перспективы реализации намеченной приро доохранной программы для бассейна реки Енисей 114
Заключение 120
Литература 125
- Математическое моделирование рационального водопользования и задачи оптимизации охраны: специфика, особенности, практическое применение
- Определение технико — экономических зависимостей для целевых функций
- Методика расчета оптимальной структуры очистных сооружений по бассейну реки. Выбор одной стратегии уп равления
- Проблемы и перспективы реализации намеченной приро доохранной программы для бассейна реки Енисей
Введение к работе
Предлагаемая работа посвящена моделированию и рациональному использованию водохозяйственных систем речных бассейнов для выработки различных стратегий управляющих воздействий в области очистки и сброса вод.
Совершенствование управления водопользованием на уровне бассейнов рек приобрело особую актуальность в настоящий момент в связи с условиями переходного периода и формирующегося экологического кризиса. Осуществляется переход от полностью несостоятельной технократической концепции водопользования к той общегосударственной политике водопользования, при которой оно должно стать частью экономической и социальной политики государства, нацеленной на конкретный результат. Первый этап реформы водопользования определил разработку правового, юридического, и научного обеспечения функционирования отрасли. Ясно, что теперь требуется разработка механизмов управления, который включает административные и экономические рычаги, их разумного сочетания.
Срочность решения этих проблем определяется тем, что на сегодня природопользование все еще не выступает самостоятельным элементом в системе управления производством, воздействие на окружающую среду по прежнему не уменьшается и не учитывается. Предприятия не заинтересованы в поиске технологических новшеств, позволяющих снизить сброс загрязнений в природные воды. Работает только механизм прямой связи - сбор платежей за загрязнение, а обратная связь - поддержка наиболее эффективных мер снижения сброса не осуществляется. Ее и не может быть без внедрения целостной комплексной схемы управления с эффективной системой информационной поддержки принимаемых решений.
При решении задач, касающихся стратегических вопросов развития водоохраны в речном бассейне необходимо использование методов системного анализа и математического моделирования, оптимизационных и имитационных моделей. Наряду с использованием современной техники это позволяет увеличить объем учитываемой информации, дать
количественную оценку значимости различных процессов и выделить наиболее существенные факторы для достижения поставленных целей.
В случае разработки новой системы водоуправления - на основании методов математического моделирования - появляется прогрессивное административное регулирование, которое предполагает возможность не только детализированного расчета рекомендаций по всем существенным источникам сбросов загрязняющих веществ сложной эколого — экономической системы, но и прогноз управляющим органом реакций элементов системы на его управляющие воздействия. Далее при экономических методах регулирования природоохранной деятельности основной упор делается на децентрализованный поиск источниками загрязнений наиболее эффективных путей снижения общего уровня загрязнения.
Происходящее усиление экономической самостоятельности регионов определяет необходимость переноса тяжести управления на бассейновый уровень, (пример - десятки заключенных бассейновых соглашений по России), а новый Водный кодекс создает возможность формирования региональных механизмов для реализации, апробации и внедрения разработанных подходов и методик совершенствования водоохраны. В основе предлагаемого в диссертационной работе методического подхода совершенствования управления водопользованием лежит реализация новых принципов водохозяйственной политики на основании использования методов эколого математического моделирования.
Применению методов системного анализа, теории оптимального управления и математического моделирования к водным объектам посвящены работы многих авторов; например, сколько-нибудь полная библиография только об оптимизационных моделях планирования водоохранных мероприятий потребовала бы упоминания сотен работ. Прежде всего это работы А.Б.Алехина, В.А.Вавилина, Г.В.Воропаева, А.Б.Горст-ко, В.И.Гурария, В.И.Гурмана, Г.Х.Измайылова, А.К.Кузина, В.Г.Пряжинской, А.Д.Рикун, С.А.Станишевского, Г.А.Сухорукова, Е.П.Ушакова, М.Ю.Циткина. и многих других отечественных авторов, а также целого ряда зарубежных экономистов. Наряду с определением административных рычагов управления посредством методов математического моделирования, разрабатывались методы внедрения экономических рычагов в практику природо - и водопользования. В этой области известны работы таких авторов как А.А.Голуб, К.Г.Гофман, И.И.Думова, Л.И.Кречетов, Г.М.Мкртчян, П.М.Нестеров, В.И Соколов, Е.Б.Струкова, Т.С.Хачатуров, А.М.Черняев и другие.
Еще в середине семидесятых годов было доказано, что оптимизация
водоохранных мероприятий по речному басейну может дать значительную экономию суммарных затрат (Biswas,1972; Вавилин, Циткин, 1977; Deininger,1974; Кумсиашвили,1980; Рюмина,1980).
Несмотря на определенные успехи в разработке моделей, их алгоритмического, программного и информационного обеспечения оптимизационные модели пока не достаточно используются при составлении водохозяйственных проектов и водоохранных программ, а оптимизационные расчеты используются в основном как "информация к размышлению ЛПР". Их применение ограничено недостатком данных, времени, источников финансирования, нехваткой подходящих для определеных целей моделей.
По - видимому, можно выделить следующие причины редкого использования бассейновых моделей оптимизации водоохранных мероприятий на практике.
Распределение средств на водоохранные мероприятия почти всегда определялось по неэффективному и не оптимальному ведомственному принципу, и предлагаемые оптимизационные расчеты заведомо не вписывались в принятую систему управления, как не соответствующие основным традициям распределения средств и ресурсов.
Отсутствие экономических и (или) административных рычагов в практике водоуправления приводило всегда к тому, что любое предложение нестандартного, неравномерного распределения средств на реализацию "оптимальных" планов приводило к "несправедливому" распределению предполагаемых затрат. Реализация такого плана без наличия экономических рычагов в управлении, обеспечивающих перераспределение затрат между источниками загрязнений, невозможна, что и определяло прохладное отношение к таким планам.
Реализация предлагаемых решений, например соответствующих критерию мимнимума затрат для бассейна (региона) возможна только при существовании административных структур, заинтерисованных в улучшении состояния природной среды в регионе, материально независимых и располагающих рычагами административного управления, т.е.властью и материальными ресурсами.
Неполнота моделей, недостаток информации, отсутствие удобных для ЛПР программных средств работы с моделью и восприятия результатов, по видимому, являются вторичными причинами и не так важны.
Тем не менее не стоит недооценивать положительного воздействия, которое оказало применение методов системного анализа и оптимизационных моделей на качество реально принимаемых решений за последние десятилетия, особенно в развитых экономически странах.
На наш взгляд, по мере внедрения в практику новой концепции водопользования, новых принципов управления, более широкого использования экономических рычагов для реализации природоохранных программ, введения соответствующих времени информационных структур будет расширяться и сфера практического применения моделей оптимизации. При этом важную роль будут играть модели именно бассейнового уровня, основное назначение которых очевидно состоит не только (или не столько) в генерации рекомендаций в сокращении сбросов многочисленных источников, сколько в определении глобальных агрегированных характеристик: диапазонов затрат, необходимых для достижения тех или иных водоохранных целей; распределения этих затрат; экономических нормативов реализации оптимальных планов - объема сброса загрязняющих веществ, средств на реконструкцию систем очистки и т.д.
Таким образом АКТУАЛЬНОСТЬ исследования, в основном определяется:
Необходимостью разработки новой системы управления водопользованием в условиях эколого - экономического кризиса, особенно для условий таких речных бассейнов, как в Красноярском крае - с развитой промышленностью и усиливающимся воздействием социальной сферы.
Недостаточностью разработки моделей, соответствующих целям определения эффективности водоохранных мероприятий, их слабой адаптации к использованию в системе л^правления на всех уровнях иерархии.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
в диссертационной работе - водохозяйственная система административного образования с развернутой подсистемой водоочистных сооружений отдельных бассейнов рек.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Предметом диссертационого исследования являются различные по структуре экономико - математические модели и методы, ориентированные
на работу специалистов территориальных бассейновых органов водоуп-равления и водоохраны, позволяющие:
изучать сложившуюся производственно - бассейновую систему водопользования как целостную систему;
получить надежную базу для определения лучшей стратегиии водоочистки по бассейну реки для достижения целей улучшения экологической ситуации и снижения затрат;
иметь надежный инструмент анализа прогнозируемых воздействий и их последствий в практике водоуправления;
получить эффективную систему информационной поддержки принимаемых решений для предприятий, расположенных в бассейне реки.
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Методологической основой настоящей работы является системный подход к исследованию системы водопользования в регионе. Конкретизацией системного подхода к изучению развития и изменения системы водоочистных сооружений предприятий бассейна реки по нашему мнению является подход, в котором региональные экономико экологические системы и их взаимосвязи рассматриваются в позиций воспроизводственного процесса. Научной базой экономико —математических разработок стали общеметодологические принципы эколого - математического моделирования в применении к задачам водоохраны, для анализа и прогнозирования эколого -экономических процессов. Это работы Д.Медоуза, Р.Белманна, X. Тахи, К.Г. Гофманна, В.А. Вавилина, Циткина М.Ю., Д. Лаукса, Дж. Стединжера, А.Джемса, Горстко А.Б., и других авторов.
Из специальных методов исследования использованы методы системного анализа, экономико —математического моделирования, экономет-рические методы. Специфические особенности программных разработок обусловлены методическими и конструкционными характеристиками применяемых программных систем.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является:
Разработать методический подход, позволяющий для условий транзитивной экономики обосновать эффективность водоохранной деятельности в регионе; основой предлагаемого подхода является нелинейная модель
оптимизации степени очистки сточных вод, направленная на реализацию принципов новой политики водопользования, а также на включение специалистов территориальных бассейновых органов в процесс прогнозно - аналитической и предплановой работы с ее использованием.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Рассмотреть общие положения подходов к управлению водопользованием экономически развитых и сравнительно экологически благополучных стран, для обеспечения ими концепции устойчивого водопользования. Проанализировать основные принципы, закладываемые в основу той общегосударственной водохозяйственной политики, при которой она должна стать частью экономической и социальной политики государства, нацеленной на конкретный результат.
2 Проанализировать подходы к моделированию задач водоохраны: их специфику, направления, особенности моделирования, проблемы практического применения.
На основании нелинейной модели оптимизации степени очистки сточных вод в бассейновой постановке, разработать методическую основу алгоритма принятия решений для повышения эффективности водопользования.
Создать программный блок с использованием имитации и оптимизации для реализации системы расчетов в частично диалоговом режиме с участием ЛПР, что позволяет управляющим органам водоохранных организаций получить удобный инструмент для планирования и прогнозирования управляющих воздействий.
Изучить существующую информационную структуру по бассейну реки, и организовать информационную базу расчетов по основным крупным предприятиям; на материалах Енисейского бассейнового водохозяйственного управления и других организаций, провести расчеты, результаты которых составляют базов\'ю водоохранную программу по бассейну реки Енисей.
Предложить пути реализации водоохранной программы, аргументировать необходимость изменения существующего хозяйственного механизма управления.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ
заключается в разработке современного подхода к выбору эффективной стратегии улучшения экологического состояния при снижении водоочистных затрат по бассейну реки с использованием эколого - математической модели, апробировании ее на практике применительно к бассейну реки Енисей, что достигается:
анализом основных направлений рационального водопользования, выделением главных принципов водоохранной политики и реализацией их в методическом подходе для практического использования в водохозяйственном комплексе;
обоснованным выбором системы моделей водоохранного назначения, и разработкой метода их решения, удобного для практической реализации;
впервые разработанными нелинейными оптимизационными моделями:
имеющими гладкие целевые функции, определяющими зависимости стоимости очистки от степени очистки;
которые рассчитаны на применение не только для линейного участка, но и для бассейна реки;
диалоговый режим решения которых с участием ЛПР ориентирован на возможность определения ограничений как по концентрации загрязнений, так и по стоимости очистки;
предложенный метод решения моделей позволяет в неограниченном количестве расширять перечень объектов, охватываемых расчетом, - что особенно важно для водохозяйственных систем.
разработкой ''базовой" водоохранной программы, сбалансированной по затратам и конечным результатам;
созданием и реализацией специализированных экономико- математических методов в виде готового модельного и программного комплекса для любых региональных водоохранных управляющих органов для совершенствования управления водохозяйственными комплексами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ
проведенного исследования состоит в
1. Создании экономике - математического инструментария, позволя
ющего повысить эффективность принимаемых решений в области
водоохраны, который включает в себя:
методику подготовки информации в существующей на сегодня информационной структуре;
разработанную нелинейную модель оптимизации степени очистки сточных вод в бассейновой реализации:
программный продукт в системе МАТЛАБ в виде имитационного и оптимизационного блоков в частично диалоговом режиме с участием ЛПР.
Информационно - модельный блок и программный комплекс позволяют эффективно решать стратегические задачи по улучшению экологической ситуации по бассейну реки и служит эффективным инструментом прогнозно - аналитической предпроектной и предплановой работы в территориальных бассейновых органах водоохраны.
2. Проведены практические расчеты по бассейну реки Енисей (в рам
ках Межбассейнового соглашения по бассейну реки Енисей) и по
лучены результаты, представляющие собой базовую водоохранную
программу для улучшения экологической ситуации и сокращения
затрат на водоохранные мероприятия.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ
Разрабатываемые модели обсуждались на научных и методологических семинарах в Институте кибернетики АН Украины (в 1991 году), в Институте биофизики СО РАН (в 1992 году), научно-практических конференциях (Харьков, (1989 год) и Днепропетровск, (1990 год)). Основные результаты исследования также были доложены на VI Международной конференции развития и управления водной средой "Чистые озера" (г.Казимаура, Япония, 1995 год).
С целью улучшения экологического состояния реки Норилка методический подход и программное обеспечение используется в Енисейском бассейновом водохозяйственном управлении для расчетов по Норильской промышленой зоне.
Работа внедрена в Енисейском бассейновом водохозяйственном управлении для применения в рамках Енисейского Межбассейнового соглашения.
По теме диссертации опубликованы 9 работ общим объемом 3,2 печатных листа.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложений; иллюстрирована рисунками (12), схемами (4), таблицами (22). Список использованной литературы содержит 72 наименования. Объем диссертационной работы 125 страниц, (и 71 страница занимают список литературы и приложения).
Во введении к работе приводятся ее основные характеристики: актуальность, определяются объект и предмет исследования, описываются цели и задачи работы, определяется научная новизна, практическая значимость, конспективно описывается краткое содержание глав.
Первая глава "Проблемы реализации новой политики водопользования в условиях транзитивной экономики состоит из двух параграфов. В первой главе диссертации характеризуется состояние водопользования как важнейшей ресурсной отрасли народного хозяйства, проблемы перехода к новой системе управления, а также проблемы разработки подходов к устойчивому водопользованию. Современное водопользование нуждается в преодолении результатов действий тоталитарной модели экономики, принципы организации, функционирования и управления которой сохраняются и сегодня. Прежде всего продолжает функционировать прежние нормативы управления использованием и охраной вод: экстенсивное водообеснечение; сохраняется ориентация на борьбу с последствиями, а не причинами загрязнений, искусственное расчленение использования и охраны вод, изолированный, несистемный, небассейновый принцип выбора водохозяйственных решений, нестабильность государственной структуры и системы управления водным хозяйством. Следствие такого положения - резкая прогрессирующая деградация окружающей среды.
Положение в водопользовании характеризуется бессмысленным разрушением ресурсной основы хозяйственной сферы и одновременно возросшими потребностями на ее восстановление, постоянным загрязнением природной среды и попытками реализовать политику ее охраны.
Анализ литературных источников последних лет позволяет сделать вывод о том, что в экономически развитых странах используются сущес-
твенно отличающиеся модели водоуправления. При этом существуют общие принципы в подходах к организации управления водопользования. Они заключаются в децентрализации управления, финансовой независимости органов управления Бассейновых водохозяйственных объединений и участии общественности.
В основе нового общего концептуального подхода к водопользованию - отношение к водохозяйственной деятельности, как к части общегосударственной экономической и социальной политики, нацеленной на конкретный результат. Теоретическое обоснование концептуального подхода - новые принципы водохозяйственой политики, выделенные из положительного российского и международного опыта. Это: бассейновый подход, принцип последовательной минимизации сбросов, самофинансирование водного хозяйства и расширение применения экономических рычагов управления, внедрение открытости в практику обсуждения принимаемых экологических решений.
Реализация перечисленных принципов водохозяйственной политики достаточно сложная задача. В связи со сложностью, практическое ее осуществление возможно только на основании методов математического моделирования.
В связи с этим во второй части первой главы " Математическое моделирование раціонального водопользования и задачи оптимизации водоохраны: специфика, особенности, практическое применение'' рассмотрены подходы к формированию методических основ анализа водохозяйственных систем (ВХС), опыт применения математического аппарата к решению задач анализа ВХС и проблемы управления столь сложными системами.
Исходное описание технико -экономических показателей региона и крупного речного бассейна содержит нелинейные (и даже невыпуклые) функциональные связи (зависимости затрат на очистку сточных вод от их объема и т.д.). Для моделей характерна значительная размерность: десятки створов, сотни предприятий, десятки альтернатив обработки сточных вод, порядка десяти показателей качества воды. Попытка "точного" описания такой системы приводит к необходимости решения многоэкстремальных задач сепарабельного программирования с тысячами переменных эвристическими алгоритмами.
Вместе с тем назначение моделей крупномасштабных объектов по нашему мнению, состоит не в определении "оптимизированных " рекомендаций по каждому из сотен крупных и мелких источников сбросов, а в оценке глобальных характеристик - суммарных средств, и их возмож-
ного распределения, вкладе различных крупных источников и прогнозе качества в зависимости от анализируемых альтернатив, определении показателей затрачиваемых средств для достижения качества в створах, и т.д. Дальнейшие разработки полученных стратегических рекомендаций и модели предполагают уточнение принятых общих решений.
Ключевые вопросы, определяющие качество математического моделирования таких крупномасштабных объектов, как ВХС речного бассейна, - выбираемый набор независимых переменых и уровень агрегирования исходной информации. С этих позиций (определяющих не только "разрешающую способность" модели но и такие факторы, как доступность и достоверность исходной информации) анализируются в 1 главе ряд отечественых и зарубежных подходов к решению задач рационального водопользования и делается вывод, на основании изучения литературных источников, что оптимизация водоохраных мероприятий речного бассейна может дать значительную экономию суммарных затрат.
Практическое использование моделей, несмотря на определенные успехи в разработке алгоритмического обеспечения, пока достаточно слабое, что объясняется сложностью моделируемого объекта, частой невостребованностью задач и недоверием к результатам лиц, принимающих решения (ЛПР), а главное отсутствием экономического интереса к снижению сбросов в водную среду, неразработанным механизмом обеспечения принимаемых решений правильно обоснованной научной базой, что определяется опять таки отсутствием государственной политики водопользования.
Анализ в описываемых в литературе разработок по подходам к созданию модельной основы управления водопользованием, недостаточность разработок таких моделей, проблемы их адаптации в практике управления, подталкивает к решению о необходимости создания несложной в реализации системы моделей, для определения основных направлений усовершенствования региональной водохозяйственной политики.
Рассматриваемый далее подход к моделированию в главе 2 'Модели оптимизации степени очистки сточных вод" предполагает не детализированное описание ВХС крупных предприятий и очистных сооружений, для создания модели первого поколения. Для оценки точности предлагаемого описания ВХС речного бассейна сопоставляются показатели имитационного расчета с данными натурных наблюдений органов водоохраны.
Предложенная система моделей во 2 главе состоит из двух моделей,
которые имеют цель — выработку оптимальных стратегий управления очисткой с точки зрения экологической обстановки и стоимости затрат в бассейне реки. До практической реализации в бассейновой постановке доведена вторая модель. При построении моделей реализовы-валась идея оптимизации очистных сооружений бассейна как системы. В основе идеи - бассейновый подход к водопользованию. Просчитывая возможности изменения степени очистки по бассейну можно:
перераспределением очистки добиться экономии средств (и так ограниченных в условиях кризиса);
проводить политику, направленную на постоянную минимизацию сброса (или на улучшение состояния водной среды), что более важно.
Общий вид ядра моделей Р = Р{х\, Х2, ...жлг) тгп при ограничениях
на х, где Р стоимость очистки, а х концентрации загрязнителей.
Процесс решения построен таким образом, что задавая ограничения по концентрациям, на самом деле руководствуются ограничениями на стоимость очистки. После имитационного расчета выводятся на экран для ЛПР графики, иллюстрирующие зависимость стоимости полной очистки по бассейну от концентрации перед контрольным створом, что дает возможность ЛПР ориентироваться: сколько будет стоить по бассейну и по предприятиям бассейна выбранная им на предыдущем этапе концентрация загрязнителя в устье, а также другие концентрации, которые находятся "в пределах достижимости". Ориентируясь на стоимость и задают ограничения на ту концентрацию, которая и соответствует стоимости.
Полученную нелинейную модель на N независимых переменных удалось свести к последовательности JV одномерных оптимизаций и решить методом динамического программирования прямой прогонки на сети.
Различные модификации программной реализации модели 2 позволяют проводить варианты разных по цели расчетов, результаты которых позволяют определить направления улучшения экологической ситуации в бассейне реки и оценить их стоимостные характеристики. В качестве информационной базы была выбрана система очистных сооружений бассейна реки Енисей.
Третья глава "Варианты расчетов для составления водоохранной программы по бассейну реки Енисей" начинается с описания сбора и подготовки исходных данных, что в условиях традиционной не-
полноты, недоступности и особенности ненадежности первичной информации является, к сожалению, не рутинной процедурой. На этом этапе необходимо участие экспертов - водохозяйственников, использование различных перекрестных источников информации, что и описывается в первом параграфе третьей главы. При расчетах по эколого - математической модели необходимы технико — экономические зависимости, определяющие связь технологических характеристик очистных сооружений с их стоимостными оценками. Для этого были использованы данные, отражающие зависимости затрат на очистку от различных факторов (концентрации загрязнений, степени очистки, количества примесей, пропускной способности очистных сооружений). Построенные на основании данных кусочно - линейные функции удалось апроксимировать логарифмическими функциями.
Первый расчет по описываемой методике по бассейну состоит в нахождении оптимальной структуры очистных сооружений по бассейну Енисея. Расчет дает возможность провести эколого-экономический анализ по бассейну реки при теперешней производственой структуре и наметить пути улучшения экологической ситуации оптимальным образом с точки зрения экологии и затрат. Намеченный генеральный (оптимальный) путь улучшения экологической ситлгации по бассейну определяет и последовательность действий для достижения конечных целей, и распределение всех необходимых характеристик: степени очистки по пунктам, и в устье притоков и по бассейну в целом: концентрации загрязнителей до расчета и по предлагаемому оптимизационному расчету, и т.д.; а также все стоимостные характеристики расчета. Результаты сравнивались с реальными очистными сооружениями по бассейну для получения оценок недостающего объема очистки по пунктам расчета. В первую очередь по бассейну по результатам первого расчета необходима реконструкция очистных по реке Кап.
По второму варианту расчетов (по рекомендациям полученным на первом этапе) производились расчеты по реке Кан. Рассматривались возможности снижения стоимости очистки и вопросы улучшения экологии в реке и стоимости этого улучшения.
Сами расчеты по бассейну реки Енисей дали возможность оценки экологического состояния бассейна и его экологически "узких мест", определения программы улучшения экологической ситуации и уменьшения затрат на очистку по бассейну и по наиболее загрязненным его участкам, - при различных предложениях ЛПР. Расчеты дают возможность провести эколого-экономический анализ по бассейну реки при теперешней
производственой структуре и наметить пути улучшения экологической ситуации оптимальным образом с точки зрения экологии и затрат.
Наряду с практическими расчетами рассматривались методические вопросы применения моделей для использования в качестве рабочего инструмента для прогнозирования результатов управляющих воздействий и контролирующих функций водоохранных органов.
Во всех вариантах расчетов по бассейну реки преодолевается наличие "бреши доверия" у лиц принимащих решение (ЛПР) к результатам моделирования. Именно с этой целью расчеты организованы в 2 этапа: имитационные и оптимизационые, где в обеих случаях принимает участие ЛПР. Программная реализация сделана в системе МАТЛАБ в частично диалоговом режиме.
В этой же главе работы доказывается неперспективность принятой на сегодня стратегии предельно - допустимых концентраций (ПДК). и реа-лизовываемой на этой основе политике предельно - допустимых сбросов (ПДС): приводится иллюстрирующий пример, наглядно показывающий преимущества предлагаемого подхода в экологическом и экономическом плане. Ясно, что использование предложенного метода для расчета ПДС нуждается во всестороннем анализе экологов при ориентировке на конечный результат планирования (перспективу).
Анализ результатов расчетов приводятся в конце каждого параграфа третьей главы.
Общие и результаты и выводы исследования приводятся в конце работы.
Математическое моделирование рационального водопользования и задачи оптимизации охраны: специфика, особенности, практическое применение
Проблема охраны водной среды является в настоящее время одной из наиболее острых и сложных, а существующий эколого-экономический кризис привлекает к этой проблеме пристальное внимание.
Растущая скорость антропогенного влияния заставляет ученых задуматься, практика требует решения наиболее часто возникающих в водной экологии задач: решения проблем управления качеством воды; проведение экологических экспертиз водохозяйственных проектов; прогнозов состояния экосистем и химического состояния воды; управления "цветением"; эколого -экономической оптимизации как элемента системы " устойчивого развития"; экономической оценки экологических последствий проектов и многих других. Сложность существующих задач состоит прежде всего в том, что их решение требует общих усилий специалистов высокого класса из разных областей науки.
Рассмотрим сначала специфичность объекта моделирования. Экосистема представляет собой очень сложный организм, что в свою очередь
определяет сложность ее моделирования. Если любой кризис описывается нелинейной моделью вида х = F(x, у)1 где х - вектор переменных, а у - вектор параметров, то в экологической среде происходит одновременное изменение и переменных и параметров. В этих условиях необходимо комплексное описание гидропроцессов в водной среде (гидродинамических, гидробиологических, гидрохимических) в связи с комплексом решаемых экономических проблем и анализом антропогенного воздействия; и все это требует взаимоувязывания по одной или нескольким целям.
"Для создания парка адекватных моделей дол ясны независимо наращиваться эксперементальные данные о кинетических параметрах гидро-бионтов в широком смысле понятия "кинетика" (скорости роста, спектры питания, типы лимитирующих факторов, характер и интенсивности меж-популяционных отношений и т.д.). Эти "кинетики" должны использоваться моделями и "модельерами" наравне с натурными количестве-ными наблюдениями за динамикой компонент экосистемы для верификации и индентификации "устройства" модельных экосистем. Поэтому работа модельера категорически не может быть изолированной от экспериментатора и натуралиста и должна включать совместное планирование экспериментов. В этой связи формирование рабочих планов должно быть жестко скоординировано между тремя указанными блоками работ: мониторинг, кинетические эксперименты и математическое моделирование" [17].
Если охарактеризовать водохозяйственную систему (ВХС) как объект моделирования, то обращают на себя внимание следующие ее особенности: сложность структуры, из-за разнородности взаимодействующих элементов - рек, каналов, гидроэлектростанций, промышленных узлов; межотраслевой характер использования водных ресурсов объектами, имеющими разные интересы; высокая динамичность развития водосистемы, что вызывает изменяемость, недостоверность и недостаточность используемых в моделях данных: необходимость оценки антропогенных воздействий на окружающую среду, что приводит к большому числу неформализованных критериев, к невозможности установления формальных зависимостей между параметрами системы, к затруднительности в выработке стратегии правильных воздействий. Методология исследования таких сложных систем определяется системным и нормативным подходом. Системный подход при исследовании водохозяйственных задач позволяет : - проанализировать проблему, включая социальные условия и экономику регионов; - построить дерево целей; - определить этапы решения; и как следствие - поставить задачу наиболее рационально. В связи с тем, что задачи водохозяйственного планирования рассматриваются с позиций реализации системного подхода — в большинстве работ превалирует концепция создания иерархической системы взаимосвязанных моделей, что соответствует итеративности планирования "сверху вниз" и дальнейшей увязки. При этом часто добавляются и используются элементы нормативного подхода: экологические ограничения вводятся в модель в виде выбранных экзогенных параметров качества воды (ПДК, ПДС) при экономических критериях оптимизации.
Применению методов системного анализа, теории оптимального управления и математического моделирования к водным объектам посвящены работы многих авторов; например, сколько-нибудь полная библиография только об оптимизационных моделях планирования водоохранных мероприятий потребовала бы упоминания сотен работ. Прежде всего это монографии, сборники и статьи В.А.Вавилина, В.Г.Пряжинской, Е.П.Ушакова, А.Б.Алехина, М.Ю.Циткина, В.И.Гурмана, Воропаева Г.В., Горстко А.Б., Г.А.Сухорукова, Измайылова Г.Х., Рикун А.Д., и многих других отечественных авторов, а также зарубежных экономистов [65, 69, 68].
Исходя из имеющейся отечественной и зарубежной экономико - математической литературы в настоящей главе приводится краткое исследование задач и моделей водной экологии в основном посвященных развитию и функционированию водохозяйственных систем (ВХС), с точки зрения классификации моделей, а также методов, используемых при их построении и реализации. Более подробно рассматриваются особенности и подходы к построению оптимизационных моделей охраны качества воды - наиболее близких к теме нашего исследования.
Надо заметить, что при моделировании крупных водных объектов сначала создается теоретический комплекс моделей. При исследовании этого комплекса выясняется, что практически удобнее создать несколько поколений моделей, где первое поколение [64] предназначено для упрощенного описания объекта на основании уже известных данных. На этой стадии проводится сравнительная оценка и увязка опорных данных, полученных от разных источников и от разных ведомств, проводится отсев сомнительных, выясняется, какие из них требуют проверки и уточнения. Кроме того, на этом этапе анализируется чувствительность модели к тем или иным исходным данным, определяются значения параметров объекта, которые не могут быть непосредственно измерены, и выясняется, какие измеряемые величины должны быть ввиду их важности уточнены экспериментально. На основании упрощенных моделей первого поколения проводится также сравнительный анализ значимости различных факторов, оценивается их влияние на конечный результат. Более сложные и тонкие модели следующих поколений используют информацию, полученную на начальных стадиях, а также информацию, полученную при моделировании других сходных объектов [5].
На разных уровнях моделирования в зависимости от конкретной ситуации детализация описания может широко варьироваться. Например, "описание может включать в себя: только один, два или несколько физико-химических параметров состояния водной среды; эмпирические данные о скоростях разложения веществ вдоль водотока или решение линейных кинетических уравнений Стритера-Фелпса, или решение нелинейных кинетических уравнений, отражающих предысторию и динамику водных экосистем (или более эмпирически оправданные модели процессов самоочищения); решение уравнений переноса вещества или использование эмпирических данных или расчетных сведений по перемешиванию и разбавлению; учет неточечного поступления загрязнений; учет нестационарности внешних условий (температуры, скорости течения, коэффициентов разложения загрязнителей и т.д.). Сложность модели зависит не только от моделируемого объекта, но и от детализации выбранного описания объекта" [9]. В нашей работе рассматривается модель первого уровня.
Определение технико — экономических зависимостей для целевых функций
Одно из препятствий при решении задач оптимизации водопользования — отсутствие в литературных источниках необходимых технико-экономических характеристик, которые отражают связь экономических показателей очистных сооружений с эффективностью их работы и производительностью. В данной работе производится минимизация издержек. Поэтому необходимо иметь зависимости, отражающие связь размера издержек с входными и выходными параметрами процессов очистки. Это зависимость вида: где Sj- издержки на очистку сточных вод от примеси j-го вида (j = 1,2, ...к), fc-количество примесей в сточных водах; nij-концентрация примеси j-го вида в неочищенных сточных водах; / —степень очистки сточных вод по примеси j-ro вида; g-пропускная способность очистных сооружений.
При заданном расходе сточных вод и фиксированной концентрации загрязнителей в неочищенных сточных водах, экономические показатели работы очистных станций зависят, главным образом, от степени загрязненности сточных вод, которая может быть определена по количеству кислорода, потребляемому на биохимическое окисление органических веществ в процессе жизнедеятельности аэробных бактерий [2]. "Эта величина носит название биохимической потребности в кислороде, обозначается ВПК (или ВРК), и численно выражается количеством кислорода в мг/л или в г/м3. Биохимическую потребность определяют за 20 суток или за 5 дней, что соответственно указывается в анализах как BPK-2Q или ВРКс . С достоверной точностью можна принимать коэффициент перерасчета с ВРК$ на ВРК20 равным 1,5 " [19].
Как определено в работе [28], показатели затрат по станциям механической и биологической очистки сточных вод рассматриваемого вида изменяются в зависимости от ВРК20 неочищенных сточных вод скачкообразно, и может быть произведено усреднение этих показателей в интервалах 100 ВРК2о 250 и 250 ВРК2о 500, где ВРК20 в мг/л:
Исходными данными для построения зависимостей типа (2.18) являются показатели эффективности технологических схем, применяемых отдельно по рассматриваемым видам примесей, и приведенные к сопоставимому виду экономические показатели для различной пропускной способности сооружений. Для этого нужно сначала выделить технологические схемы, при которых ограничения на выходные концентрации выполняются, и определить зависимости расчетных затрат от производительности очистных сооружений. Если очистка производится в несколько ступеней, то такие зависимости нужны для каждой из них. В таблице 2.3 даны применяемые у нас и за рубежом технологические схемы по очистке сточных вод, и приведены показатели степени очистки для различных схем по наиболее характерным для сточных вод примесям, полученные в Харьковском институте охраны вод (ВНИИВО). Основанием для определения степени удаления примеси при первичной и вторичной очистке послужил анализ эксплуатационных данных при работе очистных станций Люблинской (Москва), Бортнической (Киев), Безлюдовской (Харьков), Ларинской (Донецк), Зеленоградской (Зеленоград), и других, степени удаления примесей при третичной очистке приняты по литературным данным.
В статье [57] приведены показатели эффективности наиболее распространенных схем очистки сточных вод и даны зависимости, отражающие связь себестоимости очистки и удельных капитальных затрат по очистным установкам с их производительностью. Рассмотрено 13 схем, в результате осуществления которых достигается снижение концентраций различных загрязнителей в сточных водах от 10 до 99,5 процентов. Экономические показатели соответствуют производительности очистных станций в диапазоне от 10 до 200 метров кубических в сутки. В работе [57] произведена статистическая обработка указанных технико-статистических показателей по методу наименьших квадратов с использованием предложенного в работе [28] алгоритма для выбора соответствующей эмпирической зависимости на ПК. Результаты вычислений приводятся ниже в таблицах.
Наименование методов очистки: 1 - механическая, 2 - неполная биологическая, 3 - полная биологическая, 4 - хлорирование, 5 - флотация, 6 - фильтрование, 7 - коагулирование, отстаивание, фильтрация, 8 -микрофильтрование, 9 - дистилляция, 10 - отстаивание в биологических прудах, 11 - адсорбция, 12 - электродиализ, 13 - глубокая доочистка.
Исследование зависимостей, определяющих связи издержек в отдельности с производительностью очистных сооружений и степенью очистки стоков показало, что зависимость S(q) описывается плавной кривой, имеющей наибольшую крутизну в области малых значений q. а зависи мость S(p) характеризуется кривой, резко возрастающей при значениях р = 0.95 ±0.995. Поскольку при описании зависимости S(p) в интервале 0 р 1 не достигается достаточно высокий коэффициент корреляции, для увеличения достоверности зависимости интервал значений р разбивается на несколько частей I. В данном случае I — 2; рг(- -Ь р - и P2,j+P3,j і TRePi,j P2,j Рз,і- Здесь р7 , HJ 2J минимальное и максимальное значения степени очистки сточных вод, достигаемые соответственно при механической очистке и глубокой доочистке. Найденные с учетом вышеизложенного функции (2.18) записываются следующим образом: где В таблице 3.3 даны значения коэффициентов, входящих в уравнение (2.20), а в таблице 3.4 приведены интервалы изменения величины р, внутри которых формула (2.20) справедлива. При указанных в таблице 3.3 величинах параметров А, В, С, являющихся переменными в выражении (2.20) в пределах ограничений (2.21) могут быть найдены приведенные затраты в зависимости от качества поступающих на очистку сточных вод, их расхода и требл емой степени очистки по примесям соответствующего вида.
При построении зависимостей типа S(p) и их анализе оказалось, что они удачно аппроксимируются логарифмической функцией. В качестве примера на рис.2.4 приведен график функции (2.20) для загрязнителя ВРК20 при значении q = 100. Для целей сравнения по оси абсцисс отложена величина = 1 — р, которая является характеристикой глубины очистки в нашей базовой модели. Пунктирная линия на рисунке соответствует функции 5 = — Мп(). Сравнение обеих кривых доказывает, что аппроксимация издержек логарифмической функцией является правильной и достаточно точной. При этом конкретное значение коэффициента b определялось путем подгонки и равно 6=3 для ВРК , Ь = 4.8 для СПАВ и Ь = 4 для соединений азота.
Методика расчета оптимальной структуры очистных сооружений по бассейну реки. Выбор одной стратегии уп равления
Красноярский край и бассейн реки Енисей, несмотря на внешне благополучную картину, остро нуждается в изменениях управления водным хозяйством. В настоящее время мощности очистных сооружений Красноярска должны быть увеличены на 35-40 процентов, чтобы предотвратить прогрессирующее загрязнение Енисея. В него ежегодно вливается около 220 млн кубометров загрязненных вод только от коммунально-бытового водоснабжения, а с промышленными стоками только в сутки 1000000 кубометров сточных вод, из которых десятая часть вообще не очищается. Воды Енисея выше Красноярска, Маны, Качи, Уярки характеризуются как "загрязненные"; воды Енисея ниже Красноярска, Кана, Есаул овки, Бузима относятся к категории "грязные воды". Объем сточных вод, сброшенных в поверхостные водные объекты в 1996 году увеличился по сравнению с предыдущим на 390 млн. т3 и составил по Красноярскому краю 2722 млн. т3. Возросла загрязненность по ВПК, хлоридам, СПАВ, азотам. Возрастающая экологическая напряженность, наряду с ограниченным объемом средств, определяет необходимость разработки нового механизма управления при приоритете экологических критериев.
В этой главе приведены практические расчеты по бассейну реки Енисей на основании базовой модели в бассейновой постановке (глава 2.2). Для этого были организованы расчетные файлы по исходной информации (глава 3.1) и составлены программы 1 и 2 (глава 3.1). Все расчеты проводятся в диалоговом режиме с использованием указаний главных специалистов водоохранных организаций - в нашем случае. Енисейского бассейнового водоохозяйственного управления. Для расчетов выбран весь бассейн реки; потом участок от устья, включая притоки Абакан и Кан, до впадения Ангары; проведены расчеты также по реке Кан.
Рассматриваются 3 варианта расчетов, предлагаются возможности применения модели в практике прогнозирования и управления, также при включении констант самоочищения реки. Заключительная часть главы - проблемы реализации намеченной природоохранной программы.
Первый расчет ставит своей целью определение по бассейну реки, или по любому загрязненному участку реки, оптимальной с точки зрения затрат и экологии структуры (или состава) очистных сооружений. В результате можно определить, какие очистные сооружения при данной сложившейся производственной структуре по бассейну реки нужно иметь, чтобы стоимость очистных была минимальной при наименьших по возможности объемах загрязнения водной среды.
Для наглядности последовательности расчета приведем его схему 3.3. Последовательность расчета следующая: определение оптимальной структуры очистных сооружений по бассейну реки производится сначала для ее загрязняющих притоков, а затем, включая их функционально, - для главного русла реки. Как для притоков, так и для главного русла сначала имитируем распространение загрязнителя (первая программа - agregate, или первый этап расчетов), а затем ищем оптимум с точки зрения стоимости и экологии (вторая программа - optimum, или второй этап расчетов).
Рассмотрим подробно нахождение оптимума по ВРК$ (т.к. для азота аммонийного и СПАВ он проводится аналогично). Согласно схеме 3.3 перед расчетом по главному руслу проводятся предварительные расчеты по притокам реки. Они состоят из двух этапов: имитации - agregate и оптимизации - optimum.
Краткое описание последовательности работы и результатов 1 этапа Для работы программы agregate. или первого этапа расчетов, используются входные данные (приложение В2) по загрязняющим притокам Енисея: по Абакану (файл bpkl.dat), и Кану (bpk2.dat).
Входная информация содержится в колонках поочередно: регистрационный номер (код) предприятия; номер по выпуску сточных вод одного предприятия; растояние от устья; концентрация загрязнителя в сбросе на очистные сооружения: объем сброса сточных вод предприятия; расход воды в створе предприятия. Фоновая концентрация притоков (рек) задается с. пульта компьютера из соответствующего файла - фоновые концентрации. Размер шага счета выбирается разработчиком самостоятельно или с помощью ЛПР.
После выдачи результатов работы 1 этапа, (поскольку концентрация загрязняющего вещества в оптимизирующей модели ищется перед пунктом), для последующих расчетов к результатам программы agregate прибавляем строку фиктивного N -+1-го пункта, где сбросы сточных вод равны нулю; и теперь концентрация в створе фактически равна концентрации после iV-ro пункта. Результат работы выдается в табличном виде. Эти данные - выходные для программы agregate и (при добавленной строке - фиктивном створе) входные для оптимизирующих расчетов по рекам Абакан и Кан. Выходным расчетам после работы программы agregate автоматически в названии добавляется буква "а" и теперь это файлы bpkla dat, bpk2a.dat. После проведения первого этапа расчетов
Проблемы и перспективы реализации намеченной приро доохранной программы для бассейна реки Енисей
На сегодняшний день имеются несколько документов, определяющих необходимую эффективность водоохранных мероприятий: "Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами", [42], Закон РСФСР " Об охране окружающей природной среды", постановления Правительства РФ и "Водный кодекс РФ" [23]. Причем "Водный кодекс" пока находится в стадии законодательного уточнения. Общепринятым критерием эффективности на сегодняшний день является достижение обусловленных "Правилами охраны .." предельно допустимых концентраций веществ в природных водных объектах. (Сама политика ПДК обсуждается в 3 главе работы). Надо заметить, что эффект очистки сточных вод образуется не на том предприятии, которое осуществляет очистку, а на других, самых разных отраслей. Это связано с динамичностью водных ресурсов, переносом загрязняющих веществ. Очистные сооружения не дают предприятию непосредственного экономического эффекта, даже наоборот, очистка вызывает рост капитальных вложений и эксплуатационных расходов на соответствующие производства, удорожая их продукцию и снижая экономическую эффективность. Однако с точки зрения всего бассейна и народного хозяйства очистные сооружения дают экономический эффект. Он состоит в том, что предотвращаются дополнительные затраты, возникающие у водопотребите-лей в результате использования загрязненной воды. Этот бассейновый эффект плохо поддается стоимостной оценке. При изменении системы водопользования требуются оценки эффекта этого изменения.
К параметрам, описывающим эффективность системы водоохранных мероприятий по речному бассейну следует отнести: снижение объемов сброса загрязненных сточных вод, снижение сброса основных загрязняющих веществ - огранических примесей, характеризуемых ВРК201 фенолов, СПАВ, нефтепродуктов и других.
Для абсолютной оценки водоохранной деятельности попытки разработать общепринятую методику оценки так называемого предотвращенного ущерба пока не увенчались успехом, поскольку не существует информационной базы для какой либо достоверной оценки ущерба в крупных масштабах, а расчет ущерба для одного предприятия превращается в большое научное исследование и не дает четких результатов.
Многими авторами рассматривается как способ сопоставление затрат и результатов для оценки общей экономической эффективности водоохранных мероприятий. В рассмотренных критериях одни авторы используют в качестве меры эффекта понятие " компенсационные затраты", другие "предотвращенный ущерб", третьи- "сумма получаемых эффектов разного вида" [54, 36], но надо сказать, что все критерии не учитывают в полной мере всех эффектов и потерь, которые получает или несет общество, и прежде всего величину фактического ущерба от сброса недостаточно очищенных сточных вод. (Обзор оценок экономической эффективности водоохранных мероприятий достаточно полно приведен в [53]).
Расчет платы за загрязнения рассчитывается сегодня на основании только методик приравнивания нанесенного ущерба объемам сброса, что означает: больше загрязняешь - больше плати. Это методики очень упрощены и не учитывают многих факторов; их основа - расчет величины платы за сброс загрязняющих веществ.
В связи с этими факторами все больше вводятся в настоящий момент к применению методы сравнительной экономической эффективности, которые состоят в применении методов математического моделирования и статистических методов (эмпирических зависимостей) для оценки предложенных вариантов действий. Например, решая две задачи - одна из которых минимизирует издержки при ограничениях на очистку воды, а другая оптимизирует качество воды при фиксированных затратах- можем, исходя из результатов расчета, определить рекомендуемые характеристики для водного объекта. Эти же методы повсеместно применяются при сведении локальных моделей по водоучасткам в общую систему по бассейну; при моделировании на уровне отраслей и взаимоувязки полученных решений, при имитационном анализе крупных проектов. В рамках метода сравнительной экономической эффективности оценивается также техническая эффективность водоохранных мероприятий, срок окупаемости капиталовложений на их осуществление и другие критерии.
По нашему мнению такой критерий эффективности водоохранных мероприятий, который может применяться и в оптимизационных задачах должен измеряться в стоимостной форме, с достаточной полнотой отражая как величину эффективности предлагаемых изменений, так и с другой стороны компенсацию наносимых народному хозяйству потерь материальных ресурсов и трудовых затрат по предотвращению загрязнений. Поскольку затраты на компенсацию потерь могут носить характер как постоянных, так и условно постоянных затрат, приведение их к сопоставимому виду осуществляется по формуле издержек, что представляется наиболее удачным критерием для задач оптимизации в сфере прогнозируемых водоохранных мероприятий.
Выбор этого критерия согласовывается также со многими методиками (например, [7]), в которых выбор оптимального варианта водоохранных мероприятий производится как раз по миниальной величине издержек.
Издержки представляют собой сумму текущих затрат (себестоимости) и капитальных вложений, приведенных к одинаковой размерности в соответствии с коэффициентом соизмерения [49].
Показатели могут применяться как полной сумме, так и в виде удельных значений : на воспроизводство 1 м3 воды, на 1 ц продукции и др.
Удельные издержки на очистку сточных вод, умноженные на объем сточных вод, достаточно широко используются в целевых функциях оптимизирующих задач водоохраных мероприятий (глава 1.1.2). Как показано выше, а также исходя из рекомендаций утвержденных методик [49]: при различных вариантах минимизации, такая целевая функция наиболее полно отражает затраты по возможному предотвращению загрязнений, и при наличии ограничений обеспечивает требования водопользователей к качеству воды или к достижению заранее обусловленных промежуточных целей. Таким образом обеспечивается достаточно надежный метод сравнительной экономической эффективности, который наряду с другими методиками и методическими разработками может стать первым шагом при улучшении регионального водопользования в бассейне реки.
Нами рассмотрены основные расчеты, определяющие разные возможности составления начальной программы улучшения водопользования в бассейне реки: определение оптимальной структуры очистных соруже-ний, расчет уменьшения стоимости очистки при одинаковой концентрации в устье, улучшения экологической ситуации по реке. В результате решения каждой задачи мы получили некоторый директивный план улучшающий систему водопользования, и должны определить политику, приводящую к его реализации.
