Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Совершенствование процесса управления водными ресурсами бассейна реки на основе автоматизированных информационно-советующих систем

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование процесса управления водными ресурсами бассейна реки на основе автоматизированных информационно-советующих систем"

од

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВОДНОМУ ХОЗЯЙСТВУ РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

(РбсНИИВХ)

На правах рукописи

КОСОЛАПОВ Алексей Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ БАССЕЙНА РЕКИ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-СОВЕТУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 11,00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВОДНОМУ ХОЗЯЙСТВУ РОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ И ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

(РосНИИВХ)

На правах рукописи

КОСОЛАПОВ Алексей Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ БАССЕЙНА РЕКИ НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-СОВЕТУЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность: 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Работа выполнена в Северо-Кавказском филиале Российского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов Комитета Российской Федерации по водному хозяйству

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие: Донское бассейновое водохозяйственное объединение, г.Ростов-на-Дону.

Защита состоится " 18 " апреля 1996 г. в _14_ час. на заседании диссертационного Совета Д.099.01.01 при Российском научно-исследовательском институте комплексного использования и охраны водных ресурсов (РосНИИВХ) по адресу:

г.Екатеринбург, ул.Мира, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РосНИИВХ по адресу:

620049, г.Екатеринбург, ул.Мира, 23.

Автореферат разослан "_" марта 1996 г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу:

620049, г.Екатеринбург, ул.Мира 23, РосНИИВХ.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.099.01.01, канд.техн.наук, с.н.с. Ю.С.Рыбаков

Доктор технических наук, проф. Доктор физико-математических наук, проф. Доктор экономических наук, проф.

В.Г.Пряжинская А.Б.Горстко О.В. Тютков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальиость. Одной из основных проблем современного этапа раз7 вития водного хозяйства является проблема рационального использования и охраны водных ресурсов, острота которой обусловлена преобладающим в течение длительного периода экстенсивным направлением водохозяйственной политики. Следствием такого подхода является тот факт, что уже сегодня для многих речных бассейнов масштабы использования воды стали сравнимы с наличными запасами и, как результат - напряженная водохозяйственная ситуация, а в некоторых бассейнах и дефицитность водохозяйственного баланса, усугубляемая продолжающимся загрязнением поверхностных вод. Сохранение экстенсивного подхода к использованию водных ресурсов в дальнейшем превратится в сдерживающий фактор развития производительных сил и приведет к возникновению многочисленных социально-экономических и экологических проблем.

Возникает объективная необходимость перехода к интенсивному направлению развития водного хозяйства, обеспечивающему более полное, эффективное и комплексное использование водных ресурсов. Такой подход должен учитывать не только потребности в воде со стороны общества, но и возможности природной среды.

Принципиальная особенность нового подхода к управлению водными ресурсами - формирование и развитие водохозяйственных систем (ВХС) в пределах отдельных речных бассейнов и регионов, объединяющих совокупность источников воды, сооружения для управления ими и водопользователей, в интересах которых создается ВХС. Цели функционирования и развития ВХС, являющихся одновременно элементами социально-экономической и природной систем, должны гарантировать решение задач рационального использования водных ресурсов и охраны их от загрязнения и истощения. При таком подходе решение проблемы, рационального использования водных ресурсов рассматривается как часть более общей проблемы развития и функционирования ВХС.

Сложность организационной структуры ВХС, развитие их внутренних и внешних связей требуют разработки адекватных систем управления, основанных на применении совершенных информационных технологий, созданных на базе современных методических подходов, математических моделей и методов. Предпосылкой развития и внедрения информационных технологий в управление водными ресурсами является совершенствование технической базы процесса управления, создающее в свою очередь основу для развития новых технологий, ориентированных на автоматизацию обработки, информации и развитие процедур активного поиска недостающих данных, создание информационно-советующих систем поддержки принятия ре-

шенин, объединяющих знания в различных предметных областях и ориентированных на конкретных специалистов, ответственных за подготовку и принятие решений.

Таким образом, актуальность исследований в области создания и применения автоматизированных систем поддержки принятия решений в управлении водными ресурсами обусловлена как совершенствованием технической основы процесса управления, так и усложнением содержания самого процесса управления, требующего обработки значительных объемов информации, оперативности, многовариантности, оптимальности принимаемых решений. В дальнейшем такие человеко-машинные системы должны стать основной формой информационного обеспечения процесса управления водными ресурсами.

Цель и задачи исследований. Основной целью диссертационных исследований является совершенствование методологии управления использованием водных ресурсов на основе создания и внедрения автоматизированных информационно-советующих систем поддержки принятия решений (АИСС ППР).

Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:

- систематизировать и теоретически обобщить опыт, накопленный в области создания и технической реализации автоматизированных информационно-советующих систем;

- обосновать принципы и методы создания АИСС ППР в управлении использованием водных ресурсов;

- разработать методические и технологические основы подготовки и принятия управляющих решений в условиях внедрения АИСС ППР.

- разработать систему моделей, алгоритмов и программ для решения задач управления использованием водных ресурсов;

- создать действующую автоматизированную информационно-советующую систему поддержки принятия решений доя управления водными ресурсами бассейна крупной реки;

- провести комплексные исследования процесса управления водными ресурсами в условиях функционирования АИСС ППР;

- на основе обобщения практического опыта создания и функционирования АИСС ППР разработать унифицированные локальные интерактивные системы д ля внедрения в деятельность бассейновых органов государственного управления водными ресурсами.

Методология исследований. Методологическую основу исследований составляют: теория и практика регулирования стока, управления использованием и охраной водных ресурсов; теоретические и практические аспекты создания и применения математических моделей в планировании развития и

функционирования сложных ВХС; теоретические аспекты создания автоматизированных систем управления; методы и средства сбора, обработки и передачи информации; фундаментальные исследования в области создания человеко-машинных управляющих систем; опыт создания и применения программных моделирующих комплексов, информационно-советующих систем в управлении водными ресурсами.

Для решения сформулированных в диссертационной работе задач использовались методы системного анализа, теории оптимальных решений, математической статистики, имитационного моделирования.

Научная новизна, основные положения выносимые на защиту. Исследования теоретических и прикладных задач создания и применения АИСС ППР, информационных технологий в управлении использованием водных ресурсов позволили получить новые научные результаты,,выносимые на защиту.

1. Методологические принципы создания автоматизированных информационно-советующих систем поддержки принятия решений в управлении использованием водных ресурсов.

2. Система математических моделей, алгоритмов и программ поддержки процесса принятая и согласования решений для управления использованием водных ресурсов большой (сложной) ВХС. Новизна разработанного модельного комплекса заключается в оригинальности подходов, моделей, алгоритмов и программ, единстве информационного, математического и программного обеспечения системы моделей, сочетании оптимизационных и эвристических процедур в алгоритмах подготовки управляющих решений, целевой направленности на решение практических задач управления использованием водных ресурсов.

3. Автоматизированная информационно-советующая система поддержки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов ОВХС бассейна р,Цон, включающая локальные информационно-советующие системы нйжне-донской и северско-донецкой ВХС и комплекс процедур согласования планово-управляющих решений. Новизна подхода к созданию АИСС состоит в реализации бассейнового подхода к управлению водными ресурсами в условиях трансграничного водного объекта.

4. Результаты исследований по автоматизации имитационного моделирования ВХС. Новизна подхода состоит в применении базовой имитационной модели ВХС и технологии создания на ее основе.конкретных бассейновых версий моделей.

5. Метод классификации водных объектов на основе ситуационного анализа водохозяйственной обстановки и качества вод. Предложенный метод основан на применении автоматизированных информационных техно-

логий расчета водохозяйственных балансов и интегральной оценки качества вод.

6. Практические рекомендации по уточнению параметров и режимов функционирования элементов ОВХС бассейна р.Дон.

Практическая значимость. В результате исследований решается актуальная народнохозяйственная задача совершенствования механизма государственного управления использованием водных ресурсов на основе разработки и внедрения АИ.СС ППР, информационных технологий, соответствующих современным тенденциям развития водного хозяйства.

Разработан комплекс моделей, алгоритмов и программ, на основе которого создана АИСС поддержки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов ОВХС бассейна р.Дон, обеспечивающая подготовку советующих материалов для экспертов (ЛПР) по вопросам анализа перспективного и текущего состояния водохозяйственной системы, оценки вариантов водохозяйственных политик, выбора текущих и оперативных режимов функционирования ОВХС и ее элементов. Система информационного обслуживания обеспечивает постоянное пополнение информационного фонда АИСС ППР, создавая основу для регулярного решения задач. Алгоритмическое обеспечение задач построено на применении имитационного и оптимизационного подходов, что в сочетании с интерактивными принципами построения программного обеспечения создает возможность участия специалистов-технологов (ЛПР) практически на любой стадии подготовки планово-управляющих решений.

Практическим приложением исследований в области создания автоматизированных систем поддержки принятия решений явилась разработка ряда локальных информационно-советующих и информационно-технологических комплексов, предназначенных для применения в практической деятельности бассейновых органов государственного управления водными ресурсами.

Результатом диссертационных исследований в области применения метода имитационного моделирования к исследованию сложных водохозяйственных систем является разработка базовой имитационной модели и машинной технологии, обеспечивающих генерацию конкретных версий моделей ВХС. Разработана интерактивная программная система технологического обеспечения метода классификации водных объектов на основе ситуационного анализа водохозяйственной обстановки и качества вод, обеспечивающая ранжирование водных объектов с позиций очередности выполнения природоохранных мероприятий с учетом знаний и опыта экспертов. Получены практические рекомендации по уточнению режимов функционирования ОВХС и ее элементов, как результат применения разработанных информационных технологий.

Реализация результатов диссертационной работы. Исследования выполнялись с 1975 г. сначала в Южном НИИ гидротехники и мелиорации, а затем в Северо-Кавказском филиале Российского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов. По мере завершения отдельных этапов исследований их результаты после прохождения опытной эксплуатации на конкретных объектах внедрялись в деятельность эксплуатационных и проектных водохозяйственных организаций.

Автоматизированная информационно-советующая система поддержки принятия решений по управлению использованием водных ресурсов ОВХС бассейна рДон внедрена в деятельность Донского и Северско-Донецкого (Украина) бассейновых водохозяйственных объединений (ДБВО, СДБВО) и их областных подразделений (1988-1995 гг.), обеспечивая реализацию единой политики управления водными ресурсами в бассейне и являясь основой выполнения Соглашения между правительствами Украины и России о совместном использовании и охране трансграничных водных объектов (Киев, 19.10.92), в части бассейна р.Северский Донец.

Базовая имитационная система и технология моделирования ВХС внедрены в составе САПР института Росгипроводхоз (1987 г.). Технология имитационного моделирования апробирована при создании конкретных имитационных моделей ВХС:

- бассейна р.Белой в Башкирии при разработке проекта Иштуганов-ского водохранилища (Южгипроводхоз, 1984 г.);

- бассейнов рек Амур, Чусовая, Чулым, Дон при разработке Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов СССР до 2005 г. (Росгипроводхоз, 1985 г., Южгипроводхоз, 1987 г.).

Ряд локальных информационно-советующих и информационно-технологических комплексов: моделирования водохозяйственных балансов, интегральной оценки качества вод, расчета платежей за использование воды, обобщения лимитов забора воды внедрены в ряде бассейновых водохозяйственных управлений РФ (приказы Роскомвода N 102 от 08.10.92 и N 117 от 13.07.94).

Метод классификации водных объектов и его технологическое обеспечение использованы при подготовке Донского бассейнового соглашения об основных принципах совместного использования, воспроизводства и охраны водных ресурсов (ДБВО, 1994,1995 гг.).

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 40-й научно-технической конференции научно-исследовательских и проектно-изыскательских институтов системы Минсельхоза СССР и Минводхоза РСФСР "Рациональное использование орошаемых земель" (г.Новочеркасск, 1979 г.), Республиканской научно-технической конференции ученых и

специалистов водного хозяйства Внедрение НИР в водное хозяйство" (г.Ташкент, 1981 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Системные исследования водных проблем" (г.Москва, 1982 г.), региональной научно-практической конференции по вопросам совершенствования эксплуатации и управления гидромелиоративными системами (г.Новочеркасск, 1985 г.), региональной школе-семинаре "Управление эколого-экономическими системами" (г.Тебер-да, 1985 г.), Всероссийском совещании-семинаре "Проблемы формирования региональных объединенных водохозяйственных систем" (г.Свердловск, 1985 г.), Всесоюзном совещании по охране вод (г.Харьков, 1986 г.), Всесоюзном совещании "Совершенствование системы управления и контроля использованием и охраны вод в СССР на базе объединенных региональных ВХС" (г.Свердловск, 1987 г.), Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований в проектировании АСУ ТП в мелиорации" (г.Фрунзе, 1988 г.), Всероссийском научно-техническом совещании "Экономические проблемы и внедрение хозрасчетных отношений в управление водными ресурсами" (г.Свердловск, 1989 г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами" (г-Новочеркасск, 1990 г.), Всероссийской научно-технической конференции "Экосисгемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод, мероприятиями на водосборах" (г.Свердоовск, 1991 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Управление водным хозяйством России" (г.Екатеринбург, 1992, 1993 гг.), Всероссийской научно-практической конференции "Экосисгемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек" (г.Екатеринбург, 1994 г.), Международной научно-практической конференции "Экология и современность" (г-Азов, 1995 г.), Всероссийской научно-практической конференции "Экологические аспекты эксплуатации гидромелиоративных систем и использования орошаемых земель" (г.Новочеркасск, 1995 г.), Всероссийской конференции "Бассейн реки. Эколого-водохозяйственные проблемы рационального водопользования" (г.Екатеринбург, 1996 г.), других областных конференциях и совещаниях, а также на ВДНХ РФ путем экспонирования автоматизированных информационно-советующих систем управления водными ресурсами, г.Москва, 1991, 1992 гг. Результаты исследований опубликованы в 44 печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена в шести главах на 276 страницах машинописного текста, содержит 38 таблиц, 62 рисунка, 8 приложений. Список использованных источников включает 325 наименований. Общий объем работы 367 страниц.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам СевКавНИИВХ, Донского и Северско-Донецкого БВО за помощь при выполнении настоящей работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность проблемы, цели и задачи диссертационной работы, обосновывается необходимость совершенствования процесса управления водными ресурсами на основе создания и внедрения автоматизированных информационно-советующих систем поддержки принятия решений, современных информационных технологий управления.

1. УПРАВЛЕНИЕ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ НА ОСНОВЕ СОВРЕМЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В главе изложены методические вопросы создания человеко-машинных систем управления водными ресурсами бассейна рекй, основу которых составляют автоматизированные информационно-советующие системы поддержки принятия решений. Рассмотрена общая модель АИСС ППР, принципы построения, структура и содержание ее функциональных и обеспечивающих подсистем, состав решаемых задач, особенности создания информационного^ математического обеспечения.

Процесс подготовки и принятия управляющих решений в таких системах может быть представлен в виде следующей итерационной процедуры: оценка условий принятия решений - подготовка решений - анализ решений - корректировка и принятие подготовленных решений. Система, обеспечивающая реализацию такой схемы подготовки н принятия рещений, должна содержать следующие элементы (рис.1): модель объекта управления (математическая, информационная); сценарии и алгоритмы подготовки управляющих решений; диалоговые процедуры для общения лиц, оценивающих и принимающих решения (эксперты, ЛПР) с ЭВМ; программное обеспечение для реализации на ЭВМ сценариев и алгоритмов подготовки управляющих решений; специалистов, ответственных за подготовку и принятие решений; технические средства, обеспечивающие функционирование такой системы.

Рис. 1. Схема процесса управления ВХС на основе АИСС ППР

При создании СУ ВХС важное значение имеют следующие особенности объекта управления: ВХС бассейна реки является составной частью более общей системы (ВХС более высокого иерархического уровня, социально-экономической, природной систем); основная цель функционирования ВХС - "обеспечение подачи водопользователям в нужное время, в нужном месте и в нужном количестве воды допустимого качества с тем, чтобы обеспечить эффективное протекание их технологических процессов, и, кроме того, обеспечение воспроизводства водных ресурсов, включая и их охрану"; элементы ВХС могут объединяться в однородные группы по территориальному, отраслевому, функциональному признакам; ВХС содержат значительное количество взаимодействующих элементов - водные объекты, элементы технической схемы (водохранилища, гидроузлы, каналы, водозаборы и т.д.), водопользователи, причем связи между ними .отличаются исключительной сложностью; функционирование водохозяйственных систем происходит под воздействием факторов внешней среды, многие из которых носят случайный характер (речной сток, потребность в водных ресурсах, участие человека в процессе принятия решений и т.д.). Нетрудно заметить, что основные черты водохозяйственных систем, соответствуют отличительным признакам больших (сложных) систем. Как и любая другая система управления сложным объектом, система поддержки принятия управляющих решений представляет собой сложную систему, в структуре которой выделяются функциональные и вспомогательные части. Функциональная часть системы, обеспечивает выполнение фунхций прогнозирования, перспективного, текущего и оперативного планирования и управления, учета и анализа использования водных ресурсов при управлении ВХС.

Основой решения перечисленных классов задач является иерархическая модель объекта управления, синтез которой осуществляется на основе разноточных моделей, включающих: модели отдельных элементов ВХС; модели взаимодействующих элементов; обобщенные модели в которых объектами моделирования являются различные взаимосвязанные технологические процессы (распределение водных ресурсов, водохозяйственный баланс, и т.д.). Основным структурным элементом моделей второй и третьей групп являются модели отдельных элементов и процессов, требования к которым могут быть сформулированы в следующем виде: внутренняя структура модели должна обеспечивать возможность учета достаточно широкого круга входных переменных и параметров, определяющих поведение модели (процесса) в различных условиях; в состав модели должны включаться параметры, имеющие конкретный физический смысл и достаточно просто оцениваемые на основе имеющейся или поступающей в модель информации; модель должна быть проста и удобна в использовании.

Среди моделей второй и третьей групп наибольший интерес вызывают модели, позволяющие описать технологическую последовательность шагов подготовки управляющих решений. Условно, задачи, используемые при

подготовке и принятии решений, можно разделить на хорошо, слабо и плохо структуризованные. Для решения хорошо структуризованных задач достаточно успешно могут применяться оптимизационные методы, дня слабо и плохо структуризованных задач построение методов нахождения приемлемых решений является сложной проблемой. Оптимизационный подход, эффективно применяемый для решения частных задач управления ВХС, предполагает четкую формализацию задачи, процессов, протекающих в объекте управления и воздействующих на него. Однако, когда речь идет о достаточно сложных задачах управления водными ресурсами, этот подход не всегда приводит к ожидаемым результатам. Главная причина связана со сложностью реальных водохозяйственных систем и выполняемых ими функций, необходимостью учета множества внешних факторов, некоторые из которых имеют случайный характер; кроме того, при построении критерия оптимальности возникает ряд проблем, обусловленных следующими причинами: обычно реакция на управляющие решения, принимаемые для отдельных элементов ВХС или системы в целом, неоднозначна; технологический процесс подготовки управляющих решений, как правило, предполагает некоторую последовательность шагов, на каждом из которых выбираются оптимальные решения для отдельных элементов (или их групп), причем на каждом шаге (для различных элементов ВХС) используются различные критерии, проследить и оценить в этих условиях взаимосвязь между принятыми локальными решениями и качеством управления системой не всегда представляется возможным; ряд целей функционирования ВХС, которые не удается количественно описать, игнорируется при формализации оптимизационной задачи. Наиболее корректная постановка оптимизационных задач планирования и управления ВХС должна относиться к классу задач векторной оптимизации. Поскольку современные методы оптимизации работают со скалярными критериями, то возникает проблема "скаляризации" векторного критерия. В то же время на практике ЛПР при выборе решений по управлению отдельными элементами ВХС стремится к выбору рациональных решений, которые качественно описываются как "хорошие" или "лучше существующего". Такой подход позволяет перейти к применению так называемых эвристических методов, дающих возможность получать рациональные решения на основе формализации накопленного при управлении опыта. Важнейшим элементом эвристического моделирования является использование ЛПР непосредственно в схеме подготовки и принятия управляющих решений. Такое включение вносит определенный субъективизм в получаемое решение, который частично может быть преодолен за счет привлечения квалифицированных экспертов.

Очевидно, что наиболее конструктивный подход к выбору методов нахождения рациональных решений в управлении водными ресурсами основан на разумном сочетании принципов оптимальности и эвристики. С одной стороны, такой путь позволяет использовать накопленный опыт, зна-

ния и интуицию ЛПР, участвующих в процессе подготовки решений, не требует глобальной формализации всех процессов, позволяет на основе неформальных процедур анализа отсеить множество неэффективных управлений, а с другой - использовать формальный аппарат д ля поиска локальных оптимальных решений. Таким образом, создание эффективных систем управления водными ресурсами, основу которых составляют интерактивные информационно-советующие системы поддержки принятия решений, предполагает решение задачи рационального сочетания технических возможностей ЭВМ и способностей человека принимать решения в плохо формализуемых ситуациях, ЛПР, при этом, участвует как в процессе подготовки решений, так и в процессе совершенствования самой модели объекта управления.

2. АИСС ППР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ■ БАССЕЙНА КРУПНОЙ РЕКИ

В главе содержатся результаты исследований, полученные при создании АИСС ППР для управления водными ресурсами бассейна рДон. Сформулированы основные принципы построения и функционирования АИСС ППР при сложившейся организационной структуре системы управления водными ресурсами в бассейне и специфике процессов подготовки и принятия управляющих решений в условиях трансграничного водного объекта. Предложен подход к созданию единой системы управления водными ресурсами ОВХС бассейна р.Дон на основе внедрения локальных АИСС ППР для бассейнов Нижнего Дона и р.Северский Донец, Рассматривается система имитационных и оптимизационных моделей, для решения задач, возникающих в процессе подготовки управляющих решений, их информационное обеспечение, процедура согласования локальных решений при разработке единого плана управления водными ресурсами ОВХС. Предложена информационная технология зквивадонтирования ВХС, приведены алгоритмы решения задач АИСС ППР, сценарии имитационных экспериментов, результаты моделирования.

Цель создания АИСС ППР - повышение эффективности использования водных ресурсов за счет реализации единого бассейнового подхода, сочетающего общебассейновые интересы с административно-территориальными, и межгосударственными. ~

Основой АИСС ППР являются "локальные" системы "ВХС Нижний Дон" и "ВХС Северсхий Донец", обеспечивающие функции поддержки процесса подготовки и принятия решений по управлению водными ресурсами на участках бассейна (рис.2). Координация вырабатываемых решений основана на наличии в системе единых согласованных условий использования водных ресурсов, процедур проверки соответствия расчетных режимов функционирования ОВХС согласованным условиям, а также сценариев эвристических процедур согласования решений.

Структура системы поддержки принятия решений по управлению водными ресурсами ОВХС

Тг

4 ОБЪЕДИНЕННАЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННАЯ СИСТЕМА (ОВХС) НИЖНЕГО ДОНА

[Доказав бассейновое водохозяйственное о&ьедюнеане (Россах) | [Северосо-Донедкое бассейновое водохозяйственное объединение (Украина))

Система поддержке принятия управляю щах решевхй по вспользованвю водных ресурсов ОВХС

К

АИСС ППР "ВХС Нижний Дон"

Система организации , целевых запрооов я фор-мврованиезадания ва проведение расчетов

Свстема инфорнацвовяо-тех-пологхчесхого о беспечев и»

г————:'

Подсвстена анализа состояния водохозяйственной системы Подсвстена модедн-рованхя приючности к Цимлянскому вдхр. Подсистема расчета требований х режиму Цимлянского вдхр.

Подметена расчете ведячиш спецаалъ-ныхлопусасов вз Цим- Подсистема ноделл-ровавая режимов Цимлянского вдхр. Подсистема расчета водохозяйственных балансов

Подсисгема моделирована* режимов Мавычскях вяхо. Подсистема расчета платежей за пользование поверхностными аодаыхв объектами Подсвстена анализа водохозяйственных политик в бассейне рДон

АИСС ППР "ВХС Севером« Донец"

Система ввформацвовяо-тех-нодотичесхого обеспеченна

Си стена организации еяезых запросов ~ >рмировадне задави ва провсдеяхе расчетов

1»нжя г чехов у

Подсистема анализа оосюявш водохозяйственной системы

Цодсасгена модеяи-роваавя водных ресурсов_

Подсистема оценки качества воды

Подсистема расчета требований к использованию водных ресурсов_

- тааювБшгороорЕгоьСар оютаиптцПдкнаюсгов

Пою» стена моделирования водохозяйственного баланса

Блок расчета режнма Красно-павловского вдхр.__

Подсвстена модеяиро-ваяяя реясимов сраоотхи накопителей промышленных сточных вод

Подсвстена авалвза водохозяйственных политик а бассейне реп Ссаераай Довец

Е.

Система координации управляю щах решений

Согласованные требования (критерии) в пограничных створах Контроль соответствия расчетных режимов согласованный требованиям Подготовка вариантов компенсирующих альтернативных решений

Рис. 2

При создании АИСС ППР приняты во внимание структура и функции органов государственного управления водными ресурсами в бассейне, специфика процесса подготовки и принятая решений в условиях трансграничного водного объекта, сложившаяся схема межгосударственных связей и документов, регулирующих водные отношения, струюура и состав информационных потоков.

В соответствии с концепцией создания и функционирования системы управления водными ресурсами ОВХС на основе АИСС ППР, состоящей из "локальных" систем поддержки решений, организован и единый информационный фонд, распределенный меящу "локальными" системами по принципу информационной достаточности. Подготовка исходной информации дня решения конкретных задач управления водными ресурсами осуществляется на основе специально разработанных технологических линий обработки данных. -

Основные подсистемы АИСС ППР.

Анализ состояния ОВХС. Процесс подготовки управляющих решений начинается с анализа состояния ВХС на основе оперативной информации, ежесуточно поступающей в систему. Оперативная ситуация в бассейне описывается вектором состояния ОВХС £=([/[, Н^, д^, С^.,

где - соответственно, объемы и уровни воды в водохранилищах;

V*- попуски из водохранилищ; д£*, соответственно, расходы и уровни воды в контрольных створах; С^. - концентрации загрязняющих веществ в контрольных створах; соответственно, объем сточных вод в нако-

пителях и сбросы из накопителей; Хь~ прогноз приточности воды по основным створам бассейна; /-дата; I - индекс водохранилища; },т,к - соответственно, индексы гидрологического, гидрохимического постов контроля и накопителя сточных вод. Состояние системы определяется на основе сравнения фактических значений элементов вектора Е с установленными дня них кршическими значениями. Недопустимым считается состояние ВХС при котором нарушается условие допустимости хотя бы для одного элемента вектора К Для анализа возникшей ситуации и определения способов перевода системы в допустимое состояние привлекаются ЛПР, численные значения управляющих переменных находятся в результате решения конкретных задач.

Моделирование водных ресурсов. С использованием АИСС ППР решаются задачи тактического и стратегического планирования, обеспечивающие выработку управляющих решений в соответствии с текущей водохозяйственной обстановкой и анализ вариантов перспективных водохозяйственных политик. Для решения задач оперативного планирования разработаны две группы моделей, обеспечивающие моделирование гидрографов половодного и годового стока. Исходной информацией для построения гидрологического режима на период половодья служат срочные прогнозы стока: объемы и сроки прохождения половодья, величины максимальных

расходов и даты их прохождения, кроме того используется статистика среднесуточных расходов воды в контрольных створах за период наблюдений. Основой , моделирования гидрографа половодного стока служит методика построения обобщенного гидрографа стока Коммонса-Огиевского. Моделирующий алгоритм предусматривает последовательную коррекцию расчетного гидрографа по мере уточнения элементов ожидаемого половодья. Предпосылкой для моделирования гидрографа годового стока является наличие для рек бассейна Дона тесной корреляционной связи между объемами весеннего и годового стока, что позволило построить для основных расчет-

С-1

ных створов ОВХС уравнения регрессии вида 0Г = £?<•)> где дг- го-

г=1

довой объем стока (г = 1 соответствует началу водохозяйственного года). Гидрологической основой задач перспективного планирования использования водных ресурсов являются искусственные ряды стока, моделируемые по методу последовательного определения линейной авторегрессии (метод ПОЛАР). Моделирование осуществляется методом Монте-Карло.

Моделирование требований к режиму использования водных ресурсов. С использованием процедур этой подсистемы осуществляется автоматическая подготовка суммарных требований водопользователей к режиму использования водных ресурсов на расчетных водохозяйственных участках. Исходная информация, необходимая для работы моделирующего алгоритма, включает: идентификацию решаемой задачи; тип агрегированной линейной схемы; принципы агрегирования информации; используемые базы данных.

Моделирование режимов водохранилищ. Модели водохранилищ в составе ОВХС являются основными функциональными элементами АИСС ППР, обеспечивающими изменение режима функционирования ОВХС и ее локальных частей (рисЗ).

Учитывая важность всестороннего анализа политик управления водохранилищами, при создании модели каждого из них предусмотрена разветвленная система точек интерактивностй, обеспечивающая, с одной стороны, возможность вмешательства специалистов в процесс подготовки решений на любой стадии, а с другой - возможность привлечения к анализу решений широкого круга специалистов различного профиля. В состав АИСС ППР включены модели шести наиболее крупных водохранилищ: Белгородского, Печенежского, Краснопавловского, Старооскольского, Краснооскольского, Цимлянского.

Схема объединенной водохозяйственной системы рр-Дон-Северский Донец

8

19. п.Стааично-Луганскос

20. устье рЛугань

21.п.Кр}|жшюыа

22. гр. Умаяны в России

23. г-Калач-ва-Дову

24. тгЦяштинсюго вдхр.

25. сгРаздзрасая

26.уиъерДон

Азовское коре

Условные обозначения:- водохранилища: а-Белгородское, Ь-Печенежское, с-Краснопавловское, ¿-Старооскольское, е-Краснооскольское, Г- Цимлянское; | -границы республик; • -границы расчетных водохозяйственных участков.

1.гЛзепгород 10. граница России «Украины

2.шДЗетгородаш>вдф. 11. щЛСрашооаоэяьаюго вдср.

3. гр. Роосии иУкраяны 12. устье р.Оаюл

4. ил. Печсноюсжого вдхр. 13. оЕреыоака

5. п. Кочеток 14. Краматорская шютнна

6.усгьер.Бережн 15.г.Спавянсх

7.гИзюм 1б.усгьер1СаэеявыйТорец 3. Сгарооасппьскосвдф. 17. пгт ВДсгародубовка 9. пд-Схаросаомьского вдар. 18. г Лисичанск

Рис.З

Общая имитационная модель управления водохранилищами описывается следующими переменными и параметрами. Эндогенные переменные:

Х^ - использование воды _]'-м водопользователем е J±) на интервале времени I из 1-го водохранилища, где ^ - множество всех водопользователей, обеспечиваемых из ¡-го водохранилища, 1 = 1,2,...,6. Переменные состояния:

АЩ^- текущее изменение объема ¿-го водохранилища;

Я*- текущее наполнение и уровни воды в ¡-м водохранилище; р/- текущее значение суммарных потерь воды из 1-го водохранилища;

У^- текущее значение величины возвратных вод. Экзогенные переменные: • ' русловая и боковая приточность воды к водохранилищу; нормативная потребность^-го компонента в водных ресурсах;

Ц.1, средние величины суммарных потерь из водохранилища и возвратных вод.

Управления модели: ({:, Я) - диспетчерские правила управления ¡-м водохранилищем; - специальные правила управления водохранилищем. Параметры:

Ш .= ^(Я), Я = Г/5 = - кривые связи объемов, уровней и площадей водохранилища;

Ннпу > Ынпу > нтМО > Ц^О > нфпу . Щпу - характерные уровни и объемы

водохранилищ;

- максимальные пропускные способности водохранилищ.

Уравнения функционирования: с

^ = «%А + 2 + Ог + Уг - - Е ХЪ - V' £ л е [3,6], (1)

г= 1 з'е^

Х^ = ^(т#Я) Х^ = (2)

В качестве управлений в имитационной модели водохранилища приняты диспетчерские правила Я), а в качестве специальных правил управления Е] рассматриваются оптимизационные модели, обеспечивающие принятие решений при планировании пропуска высоких половодий и в условиях маловодья., '

Моделирование пропу ска высоких половодий. Актуальность этой задачи в настоящее время связана прежде всего с хозяйственным освоением поймы Нижнего Дона и, следовательно, со значительными ущербами в случае ее подтопления. Положение при управлении осложняется тем, что прогноз элементов весеннего половодья обладает малой заблаговременностыо и значительной ошибкой, в связи с чем подтопление поймы возможно даже при прохождении средних по величине половодий.

Водохозяйственная задача планирования пропуска высокого половодья для Цимлянского водохранилища формулируется в следующем виде:

Vp min (3)

Водохозяйственные ограничения

ч, + +2г - ^ G Г1,г-и

Г = 1

г

% + xfof - vr -яг) = Щлу

r=l '

(4)

Технологические ограничения vt < vtmax , Vt € [1,Т]

vt > SPt , Vt e [1,T]

0 £ vt+1 - vt < at , Vt e [0, P - 1]

ft+l * bt

Vt 6 [P,T - 1]

(5)

V,. -= С

Здесь Г - дата окончания половодья; попуск из водохранилища за

интервал времени /; 0£?с русловая и боковая приточность к водохранилищу; Щ - суммарные потери нз водохранилища; Щщу- емкость водохранилища при НПУ; - укомплектованный график требований компонентов водохозяйственного комплекса к режиму Цимлянского водохранилища; Ь(. - величины, определяющие вид искусственного гидрографа ниже плотины водохранилища.

Схема управления Цимлянским водохранилищем с использованием вышеприведенной модели состоит в следующем:

- на начало водохозяйственного года с прогнозируемым большим половодьем производится построение гидрографа предстоящего половодья;

- по построенному гидрографу производится расчет плана управления водохранилищем по модели (3) - (5);

- при поступлении очередного прогноза элементов весеннего половодья строится уточненный гидрограф стока на оставшуюся часть половодья и выбирается новый план управления с учетом фактической отметки воды в водохранилище и тд. (рис. 4).

Режим Цимлянского водохранилища при пропуске половодья весной 1994 г.

<2,м3/с 600С

Прогноз 12-14км3

Прогноз Прогноз Прогноз 15-16км3 16-18 км3 20-22 км3

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 1314 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 февраль март апрель май Т .пятидневки

Условные обозначения: —— - фактический режим попусков из водохранилища, принятый на основе расчетов по методу скользящей коррекции; - - ; - оптимальный расчетный режим при известном гидрографе половодья. Даты уточнения расчетных гидрографов половодья: | - поступление прогнозов половодья;! - уточнение элементов половодья.

Рис. 4

Модель управления водохранилищем в условиях маловодья. Цель решения задачи - минимизация суммарных ущербов, связанных с перебоями нормального режима водопользования. Задача формулируется в виде задачи двухэтапного стохастического программирования.

+ М пип Ог-г Ят-г

ГО1П

< ^

= 0

Ч * \ г£# £ о

(6)

9T-t&T-t'vT-t) - 0

дт-t^T-t' vt-u vt> ^ i>r-t(ör-t) Ib-t&r-t) = 0 [ (8)

ZT-t - ZT-t

vT-t ^ ®

Здесь ßr-t ~ случайная величина стока за период T-t; Zt- вектор переменных модели; vt- попуск из водохранилища; bt- случайная величина при-

точности воды к водохранилищу; д®, д® - группы водобалансовых ограничений; h - группа технологических ограничений.

Для решения задачи (6) - (8) разработана эвристическая процедура по. иска оптимального предварительного плана, позволяющая свели решение рассматриваемой двухэтапной задачи стохастического программирования к решению следующей детерминированной задачи

min[<Z>t(Zt) + Л^)] (9)

при ограничениях (7).

Оценочная функция At{vt) строится при заданных значениях vt по результатам решения следующей задачи:

yit(V(.) = М min <Pr_t(Zr_t) (10)

Qr-t -t ,

при ограничениях (8).

Моделирование водохозяйственного баланса. В основе решения задач управления водными ресурсами лежит меггод водохозяйственного баланса, обеспечивающий сопоставление наличных водных ресурсов с потребностью в них. Для каждой задачи в составе АИСС ППР набор моделей ВХБ заранее фиксирован, а выбор конкретной модели осуществляется указанием варианта агрегированной линейной схемы. Автоматизация процесса расчета ВХБ достигается в результате формального описания технологии моделирования баланса и расчета его составляющих для каждого варианта агрегированной линейной схемы. Синтез моделей ВХБ, внутренняя информационная увязка расчетных блоков обеспечивается специальной управляющей программой подсистемы. Наличие системы интерактивных точек, развитого языка общения с моделью позволяют ЛПР вмешиваться в' процесс расчета на любой стадии формирования ВХБ. Ограничение нормативного водопо-требления в условиях дефицита водных ресурсов в модели осуществляется автоматически с использованием разработанных эвристических алгоритмов.

Моделирование режима опорожнения накопителей. Наличие в бассейне р.Северский Донец накопителей промышленных сточных вод является потенциальным источником чрезвычайных ситуаций. Предупреждение таких ситуаций предполагает возможность своевременного и обоснованного принятия решений по выбору режима опорожнения накопителей. Сложился определенный порядок принятия решений по опорожнению накопителей, который и положен в основу модели, реализующей две основные задачи -текущего и оперативного планирования (рис.5).

Структура системы принятия решений по опорожнению накопителей сточных вод в бассейне р. Сев. Донец

Анализ водохозяйственной ситуации в бассейне

Расчетные расходы и оценка концентрации ингредиентов в контрольных створах •

вание

Текущее планиро-

Определение сроков начала опорожнения накопителей и согласование заявленных объемов сработки

Расходы воды в контрольных створах

Моделирование прогнозной водохозяйственной ситуации в бассейне

* Оперативное

Сроки и объемы сработки накопителей

Требования к качеству вод в контрольных створах

планирование

Определение суточных объемов сработки накопителей

Расхода воды и концентрации ингредиентов в контрольных створах

Требования к качеству вод, технологические ограничения

Данные постов контроля качества воды

Рис.5

Целью решения задачи текущего планирования является определение сроков начала опорожнения накопителей, а также согласование заявленных объемов их сработки с учетом складывающейся в текущем году водности и состояния водохранилищ, технологических ограничений, прогнозных величин расходов и качества воды в контрольных створах, режима опорожнения.

Задача оперативного планирования имеет целью определение суточных объемов сбросов из накопителей, обеспечивающих срабопсу согласованных объемов сточных вод, при соблюдении технологических ограничений и требований по качеству воды в реке.

Согласование локальных управляющих решений при разработке плана использования водных ресурсов ОВХС. Анализ технологии управления водными ресурсами ОВХС в условиях межгосударственной территориальной распределенности бассейна и специфики локальных задач, решаемых отдельными элементами ВХС, позволил представить процедуру согласования управляющих решений в виде последовательности шагов согласования решений между рассматриваемыми субъектами по основным "пограничным" створам (рис. 6).

Схема принятия и согласования решений по использованию

Условные обозначения:

О - принятие решений ДБВО; П - принятие решений СДБВО;

О - процедура согласования решений; £_1- итерационная процедура.

I. Расчет режимов Белгородского и Старооскольского вдхр. 2;8. Контроль соответствия расчетных режимов согласованным требованиям в пограничных створах. 3. Расчет режимов Печенежского и Краснооскольского вдхр. 4; 11. Процедура согласования управляющих решений. 5. Расчет ВХБ участков р.Северский Донец. 6. Расчет режима опорожнения накопителей. 7. Расчет требований к Краснопавловскому вдхр. 9. Расчет режима Цимлянского водохранилища. 10. Расчет водохозяйственного баланса рДон ниже пл.Цимлянского вдхр. 12. Подготовка межгосударственного соглашения о режиме функционирования ОВХС в текущем году.

Рис.6

Процедура согласования решений (на примере задачи разработки годового плана управления водными ресурсами ОВХС) состоит из следующих этапов.

1. На основе прогноза ожидаемого половодья рассчитываются гидрографы стока на период половодья и год.

2. Рассчитываются режимы Белгородского и Старооскольского водохранилищ. Расчетные режимы проверяются на соответствие согласованным условиям в пограничных створах по количеству и качеству водных ресурсов, поступающих на территорию Украины. В случае несоответствия расчетных режимов согласованным требованиям анализируется набор активных средств управления, позволяющих в конкретной ситуации осуществить "компенсационные" мероприятия.

3. Определяется режим работы Печенежского и Краснооскольского водохранилищ, рассчитывается ВХБ нижерасположенных участков р.Север-ский Донец.

4. Режим опорожнения накопителей сточных вод выбирается с учетом рассчитанного ВХБ.

5. Расчетные показатели по количеству и качеству воды в пограничном створе проверяются на соответствие согласованным условиям. При нарушении установленных требований осуществляется корректировка рассчитанных режимов с использованием доступных активных средств управления.

6. Рассчитывается режим Цимлянского водохранилища и водохозяйственный баланс участка Нижнего Дона.

7. Полученный согласованный режим функционирования ОВХС является основой соглашения между субъектами управления о режиме использования водных ресурсов в текущем году.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЕСПЕЧЕННОСТИ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ УЧАСТНИКОВ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА БАССЕЙНА РЕКИ НА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

В главе содержатся результаты исследований по вопросам разработки и применения имитационных моделей для решения задачи оценки надежности функционирования ВХС бассейна крупной реки. Рассмотрены вопросы автоматизации процесса построения имитационных моделей для анализа режимов функционирования и выработки правил работы водохозяйственных систем в условиях эксплуатации на основе разработанных программно-технологических комплексов. Приведены результаты исследований по оценке обеспеченности водными ресурсами участников донского водохозяйственного комплекса на современном этапе развития ВХС.

Имитационное моделирование как метод анализа сложных систем получило широкое применение в различных областях науки и техники благодаря исследованиям Н.П.Бусленко, Н.Н.Моисеева, Т.Ненлора, Р.Шенона и других ученых. Необходимость развития и применения метода имитационного моделирования к анализу ВХС связана, прежде всего, со сложностью таких систем как объектов исследования и управления. Значительный вклад в развитие различных аспектов методологии имитационного моделирования водохозяйственных систем внесен исследованиями ученых: А.Б. Авакя-на, А.Е. Асарина, И.В. Бусалаева, А.М. Бронфмана, АЛ. Великанова, СЛ.Вендрова, Г.В. Воропаева, О.Ф. Васильева, Ю.С. Васильева, Г.Г. Ган-гардга, А.Б.Горстко, ЮА. Домбровского, И.П. Дружинина, Ф.И. Ерешко, НЛЗ. Зарубаева, ВА. Знаменского, ГХ. Исмайьшова, ДЛ. Коробовой, Д.В. Коре-нисгова, СЛ. Крицкош, АЛС Кузина, Л.С. Кучменга, М.Ф. Менкеля, И.И. Мечи-

това, В.И. Обрезкова, В.И. Пойзнера, В.Г. Пряжинской, ДЛ. Ратковича, А.Ш. Резниховского, Г.Г. Сванидзе, ГА. Сухорухова, О.В. Тюхкова, М.ГХубларяна, ИЛ. Храновича, Е.В. Цветкова, А.М. Черняева, И.С. Шахова, В.М. Шнайдмана, BJI. Шустовой и других. В этих работах ВХС рассматривается как элемент природной и социально-экономической систем, развиваются методы управления водохозяйственными системами, учитывающие природоохранные требования.

Исследования автора в этой области касались вопросов создания и применения имитационных моделей для анализа функционирования и построения правил управления ВХС, а также вопросов автоматизации имитационного моделирования таких систем для решения указанного класса задач. Предпосылкой автоматизации процесса создания имитационных моделей для исследования режимов функционирования ВХС является возможность представления отдельных элементов таких моделей в виде достаточно универсальных блоков, которые могут быть использованы в качестве ядра создаваемых моделей. Показателем степени автоматизации процесса создания имитационной модели может служить соотношение между количеством уникальных и универсальных элементов, используемых в конструкции модели. Обобщение практического опыта создания имитационных моделей для водохозяйственных исследований в виде специальных библиотек программных процедур может в значительной мере повысить степень автоматизации процесса моделирования ВХС.

Разработанный подход к автоматизации имитационного моделирования ВХС основан на концепции создания Базовой имитационной модели (БИМ), обеспечивающей генерацию конкретных версий моделей с использованием специальной технологии моделирования. Основные принципы создания БИМ: открытость, блочность, многофункциональность, интерактивность. В структуре БИМ три основных подсистемы: генерации новых моделей, ведения (обслуживания) библиотеки готовых моделей, имитационных экспериментов с моделями ВХС.

Технология создания моделей ВХС на основе БИМ предполагает выполнение следующих шагов:

- описание топологической структуры создаваемой модели на основе единой системы словарей, шифров и кодификаторов водных и водохозяйственных объектов, принятых в системе государственного вод ного кадастра;

- описание состава и структуры водопотребляющего комплекса для каждого расчетного участка топологической модели с использованием специальных электронных словарей и заданных принципов агрегирования исходной информации;

- описание правил регулирования стока водохранилищами в виде готовых вариантов правил (графиков) или в виде уникальных моделей, обеспечивающих получение таких правил в результате решения соответствующих задач;

- описание правил водопользования на расчетных участках в условиях дефицита водных ресурсов;

- создание информационного образа модели ВХС на основе использования общей базы данных БИМ и дополнительно вводимой информации.

Вновь созданная модель (ее описание) помещается в "Библиотеку готовь» моделей". В БИМ предусмотрена подсистема обслуживания моделей, обеспечивающая проведение корректировки основных блоков моделей (баз данных/правил регулирования стока, правил ограничения водопотсребле-ния) без изменения их внутренней структуры и связей, а также перегенерацию моделей ВХС (изменение топологии, функциональных модулей, структуры водопотребляющего комплекса и т.д.). Процесс создания модели завершается описанием сценариев имитационных экспериментов, реализуемых на основе создаваемой модели.

С использованием разработанной технологии имитационного моделирования ВХС выполнены исследования по оценке обеспеченности водными ресурсами основных участников водохозяйственного комплекса (ВХК) в бассейне рДон. Основные цели имитационного эксперимента:

- оценка фактической обеспеченности водными ресурсами основных участников ВХК;

- оценка влияния требований рыбного хозяйства и водного транспорта к режиму и надежности специальных попусков из Цимлянского водохранилища на обеспеченность водными ресурсами остальных участников ВХК;

- уточнение правил управления Цимлянским водохранилищем.

Качество функционирования ВХС в процессе имитационного эксперимента оценивалось по показателям обеспеченности водоподачи (гарантированной, повышенной, сниженной), а также глубин и длительностей перебоев режима гарантированного водопользования. Моделирующий алгоритм задачи оценки обеспеченности водными ресурсами участников донского ВХК (рис.7) разбит на такты, на каждом из которых исследовался один из вариантов правил управления водохозяйственной системой.

Моделирование режимов функционирования ВХС проводилось на ретроспективных гидрометеорологических рядах, количество тактов в эксперименте равнялось числу исследуемых вариантов водохозяйственных политик управления. В процессе имитационного эксперимента правила управления Цимлянским водохранилищем (И) были заданы в виде:

<21 = Щ-!•

ще: - отдача из водохранилища; - наполнение водохранилища на начало расчетного интервала г ; ¿¡¡- - гидрометеорологические факторы;

- приточносп. к водохранилищу по рДон; - нормативные заявки водопользователей-эквивалентов; - переменные управления.

План эксперимента

Г

Правила управления Цимлянским водохранилищам

Моделирование приточности к водохранилищу и требований к режиму попусков

Критерии оценки

Оценка расчетных режимэв ВХС

Выходные материалы | для экспертизы

Корректировка гранил управления

Рнс.7. Схема моделирующего алгоритма задачи оценки обеспеченности водными ресурсами участников ВХК бассейна рДон

На каждом такте эксперимента параметрически задавались переменные управления в виде набора логических правил. Корректировка правил на очередном такте осуществлялась изменением состава параметре©, входящих в рравияа управления, или их значений. Уточнение значений варьируемых параметров правил назначения специальных попусков достигалось в результате многократного "проигрывания" каждого такта эксперимента с целью достижения нормативных значений показателей расчетных обеспеченносгей отдач, глубин и длительностей ограничения условий гарантированного водопользования. При невыполнении заданных нормативных значений показателя обеспеченное™ оадач, правила либо отвергались, либо такт эксперимента повторялся с учетом корректив, внесенных экспертами.

Учишвая практически полное исчерпание собственных водных ресурсов для дальнейшего развитая производительных сип в бассейне рДон и, как следствие, наличие противоречий между основными участниками водохозяйственного комплекса, в ходе имитационного эксперимента рассмотрено восемь вариантов режимов функционирования БХС, отражающих требования основных водопользователей. Для каждого варианта по результатам расчетов приведена оценка показателей обеспеченности нормального и сниженного водопооребиения, глубины и длительности ограничения нормального водопотребления, обеспеченности различных видов попусков из Цимлянского водохранилища, величины остаточного стока в Азовское море. Выбор наиболее приемлемого варианта правил управления Цимлянским водохранилищем из множества допустимых по результатам эксперимента осуществлялся в результате комплексной оценки результатов моделирования.

4. ПОСТРОЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРАВИЛ УПРАВЛЕНИЯ -ВОДОХРАНИЛИЩЕМ КОМПЛЕКСНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В главе содержатся результаты исследований, связанных с построением динамических диспетчерских правил управления водохранилищем комплексного назначения. Разработана технология моделирования динамических диспетчерских графиков для ПЭВМ, предложена эвристическая процедура последовательного уточнения элементов динамического диспетчерского графика с целью достижения заданных значений обеспеченности отдач в диспетчерских зонах. Приведены результаты численных экспериментов по построению элементов динамического диспетчерского графика с использованием разработанной технологии. Разработан план имитационного эксперимента по построению диспетчерских правил управления водохранилищем учитывающих срочные прогнозы стока, выполнен анализ результатов численного эксперимента по выбору диспетчерских правил, обеспечивающих заданную надежность гарантированной отдачи и минимизирующих величину холостых сбросов из водохранилища.

Общепринятой формой представления правил регулирования стока водохранилищами являются диспетчерские графики, методика построения которых детально разработана в трудах С.Н.Крицкоп> и М.Ф.Менкеля, Д.М.Коренистова, П-АЛяпичева, Я.Ф. Плешкова, АД. Саваренского, А.Ш.Резниковского, Е.В.Цветкова, Ш.Ч.Чокина и других ученых. Диспетчерский график в его классическом виде не позволяет получить оптимальный режим управления водохранилищем, однако он позволяет обеспечить заданную надежность гарантированных, повышенных и сниженных отдач каждому водопользователю, снизить или устранить холостые сбросы воды из водохранилища, обеспечить безаварийную работу сооружений. Для водохранилищ комплексного назначения, осуществляющих многолетнее регулирование стока одновременно в интересах группы водопользователей, имеющих несколько уровней отдач с разными значениями показателя обеспеченности, строится многоступенный план управления, учитывающий возможность многолетнего перерегулирования стока. Методика построения таких правил управления водохранилищами сегодня недостаточно разработана. Исследования автора в этой области были связаны с разработкой подхода к построению динамического диспетчерского графика управления водохранилищем комплексного назначения, основанного на сочетании классических методов теории регулирования стока и эвристических процедур, позволяющих увеличить эффект многолетнего регулирования стока за счет рациональной политики оперирования многолетней составляющей полезной емкости водохранилища. Разработана технология моделирования на ПЭВМ (рис. 8) динамических диспетчерских правил управления

Блоки | Содержание расчетных процедур! Входная и выходная информаци;

Технологическая подготовка исходной информации

Расчет элементов диспетчерского трафика

1.

гп<

Построение плана многолетнего регулирования стока

Т

Оптимизация диспетчерского трафика

| Статистическая обработка гидрологической информации

»Укомплектование графиков отдач из водохранилища

»Расчет приведенных отдач и обеспеченносгей

► Мод елирование искусственных гидрологических рядов

> Выбор гидрографов-аналогов

► Построение прсггивосбросовых линий

• Построение противоперебой-ных линий

> Построение линий ограничения отдач

»Компоновка диспетчерского

; графика

► Анализ группировок маловодных лет

> Построение динамического д испетчерского графика

1 Моделиршание диспетчерского управления водохранилищем > Уточнение элементов динамического д испетчерского трафика

&г<А>-1 рм (0), рпд, Рг(д) |

(О?), х? КА>1

гК^ й/драс/С^

Условные обозначения: ¿-номер водопользователя; в-номер диспетчерской зоны; Р^ - обеспеченность отдачи; Рм (2), Рд(0), Рг(0)- кривые обеспеченности стока; (¿1-, гидрологические ряды; график укомплектованной отдачи; > ~ гидротрафы аналоги; х5, р -приведенная

годовая содача и обеспеченность; Ьсбр, , 1огр - диспетчерские линии; Д - диспетчерский график; фрагменты динамического графика; дп - длительность группировок маловодных и многоводных лет в календарном ряду; д^. - расчетная длительность маловодного периода; с^ - расчетная величина дефицита за год группировки длительности д^.; фактическая обеспеченность овдач.

Рис. 8. Технологическая схема моделирования динамических правил управления водохранилищем комплексного назначения

водохранилищем в основе которой лежит ряд процедур, обеспечивающих технологическую подготовку данных, расчет элементов и компоновку динамического 1рафика, состоящего из серии фрагментов и правил, регламентирующих порядок их использования в многолетнем цикле регулирования стока. Построение фрагментов динамического графика осуществляется в процессе имитационного эксперимента, в основе которого лежит эвристическая итерационная процедура последовательного уточнения элементов диспетчерского графика и их компоновки в общем плане динамического графика с целью достижения заданных значений показателей обеспеченности отдач в диспетчерских зонах. Анализируются результаты расчетов, выполненных при построении плана многолетнего регулирования стока Цимлянским водохранилищем с использованием разработанной технологии.

Применение срочных прогнозов стока может повысить эффект управления, при этом его величина зависит от заблаговременности и качества прогноза. Использование срочных прогнозов стока при управлении по диспетчерскому графику должно прежде всего обеспечивать заданную надежность гарантированных отдач и одновременно - минимизировать величину холостых сбросов. В случае двухступенного плана регулирования стока в качестве критерия выбора диспетчерских правил управления водохранилищем выступают, с одной стороны, обеспеченность отдачи гарантийного минимума, а с другой - величина холостьи сбросов из водохранилища. Для выбора наилучших правил управления разработана двухэтапная процедура: на первом этапе осуществляется построение диспетчерского графика, обеспечивающего заданную надежность отдачи гарантийного минимума, а на втором этапе в ходе имитационного эксперимента осуществляется выбор дополнительных диспетчерских правил, позволяющих совместить при управлении диспетчерский график и срочные прогнозы стока. Для выбора наилучшего варианта дополнительных диспетчерских правил используется функция полезности, введенная впервые АЛ.Великановым в качестве критерия оценки правил управления водохранилищем:

= МЕ - к • Щ , (11)

где Е - эффект управления, выраженный дополнительным количеством воды, поданной компонентам водохозяйственного комплекса сверх гарантийного минимума; Д - дефицит водопотребления, выраженный количеством воды, недостающей для поддержания гарантийной отдачи; М - символ математического ожидания; к - весовой коэффициент.

Разработанная схема имитационного эксперимента по выбору наилучшего варианта дополнительных правил управления водохранилищем использована при создании модели оперативного управления режимом Цимлянского водохранилища в составе АИСС ППР.

5. ИНФОРМАЦИОННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

В главе рассматриваются - метод ситуационного анализа состояния водных объектов, основанный на оценке водохозяйственной обстановки и качества вод в бассейнах рек, основные методические положения и процедуры, информационно-технологическое обеспечение метода. Анализируются результаты ранжирования водных объектов конкретного бассейна реки, полученные с использованием разработанного метода.

В основе разработанного подхода к оценке состояния водных объектов лежит ситуационный анализ уровня техногенной нагрузки на водные объекты, сам метод формируется как открытая, развивающаяся система логических правил и расчетных процедур.

Анализ состояния водных объектов осуществляется по однородным группам показателей. Перечень Групп и состав показателей определяется исходя из изученности конкретных водных объектов. В состав групп однородных показателей, характеризующих различные виды техногенных нагрузок, входят обобщающие и частные виды показателей. Обобщающие показатели используются в процедурах ранжирования д ля выделения групп водных объектов, отнесенных к категории "неблагополучные". Частные показатели позволяют провести дифференциацию водных объектов внутри выделенных групп и систематизировать в соответствии с имеющейся информацией основные источншси и причины высокого уровня техногенных нагрузок.

На сегодняшнем уровне изученности водных объектов для проведения массового ситуационного анализа состояния водных объектов выделены две основные группы показателей, характеризующие использование и качество водных ресурсов, как наиболее существенные и информационно обеспеченные. За обобщающие показатели для выбранных групп приняты водохозяйственный баланс и класс качества воды по ИЗВ (индекс загрязненности воды). В качестве частных показателей в группах рассматриваются показатели безвозвратного водопотребления, целевого использования воды, заретуиированносга стока прудами и водохранилищами, нагрузки водотоков различными категориями сточных вод и загрязняющими веществами и т.д. Ранжирование водных объектов выполняется с учетом принятых сегодня классификационных шкал качества вод и водохозяйственного баланса.' Завершающим этапом ранжирования водных объектов является идентификация водоемких объехтов, точечных источников загрязнения, участков рек, наиболее нагруженных сточными водами и загрязняющими веществами.

Изложенный методический подход реализован в виде этапов анализа.

Ранжирование водных объектов по напряженности водохозяйственного баланса. Для выбранных бассейнов рек и их "участков производится расчет водохозяйственных балансов с использованием информационно-технологического обеспечения метода. Расчет ВХБ выполняется для харак-

тертых по водности лет, что дает возможность оценки водохозяйственной ситуации в бассейне и на расчетных участках в условиях различной водности. По результатам расчета ВХБ производится разбивка множества анализируемых бассейнов рек на группы по значению показателя напряженности водохозяйственного баланса (НВБ), представляющего отношение суммарной нормативной потребности в водных ресурсах в год заданной обеспеченности к наличным водным ресурсам, доступным к использованию в бассейне. Каждой их вьщеленных групп в соответствии со шкальной градацией присваивается качественная характеристика соответствующей водохозяйственной ситуации: "хорошая", "нормальная", "напряженная", "очень напряженная", "дефицитная"(рис. 9).

Модель шкалы показателя НВБ

Е? * аг < Е? * а2 < Е? * а3 < Е$ * а4 < Е?

хороший нормальный напряженный очень напряженный дефицитный

Рис.9

Здесь г - шифр бассейна реки; - значение показателя напряженности ВХБ, соответствующее году Р % обеспеченности по водаорти; аградации качественного состояния ВХБ.

Для последних трех групп бассейнов рек по признаку приоритетности видов использования водных ресурсов формируются подгруппы, в каждой из которых содержатся шифры бассейнов рек с одинаковым уровнем приоритетности основного вида использования воды. Номера подгруппам присваиваются в порядке убывания приоритетов.

Заключительный шаг процедуры ранжирования состоит в уточнении порядкового номера каждого бассейна реки в вьщеленных подгруппах по значению средневзвешенного показателя НВБ, вычисленного для каждого бассейна реки на основе аналогичного показателя для расчетных водохозяйственных участков.

Формирование списка приоритетных бассейнов рек по показателю НВБ осуществляется в следующем порядке: вначале перечисляются все бассейны рек из труппы с характеристикой ситуации "дефицитная" в том порядке, в каком они оказались в результате упорядочивания по средневзвешенному показателю НВБ, затем следуют бассейны рек из групп "очень напряженная" и "напряженная".

Ранжирование бассейнов рек по индексу загрязненности вод (ИЗВ)З основе процедуры ранжирования лежит метод определения класса качества воды по данным постов гидрохимических наблюдений. В соответствии с .

классом качества воды все водотоки разбиваются на группы (рис. 10) - номер группы соответствует классу качества воды.

Модель шкалы показателя качества воды

01 < Гл * 01 < 72 * 01 < Гъ * 01 < П * 01 < Г5 * 01

чистая умеренно- загрязненная грязная очень гряз- чрезвычайно

загрязненная ная грязная

Рис. 10

Здесь - значение ИЗВ; у^ - градации характеристики качества вод.

Процедура ранжирования рек по ИЗВ реализуется в виде следующей последовательности шагов.

По каждому посту гидрохимических наблюдений рассчитывается показатель ИЗВ и устанавливается соответствующий ему класс качества воды. При значительном разбросе показателя ИЗВ по различным постам наблюд ений на одном водого-ке, класс качества воды пригашается по наиболее представительному посту наблюдений. Распределение рек по группам производится в соответствии с классом качества вод ы, а порядок следования в группах соответствует значению ИЗВ. Для каждого водотока осуществляется процедура ранжирования участков (при наличии нескольких постов наблюдений).

На основе результатов ранжирования определяется приоритетная группа водных объектов, в которую включаются бассейны рек с наихудшим состоянием по показателям использования водных ресурсов и качества вод. Выполненное таким образом ранжирование может бьггь скорректировано с использованием неформальньи соображений организационного, финансового и др. характера.

По бассейнам рек, включенным в состав приоритетной группы, проводится детальная оценка водохозяйственной и гидрохимической ситуации. Строятся водохозяйственные профили бассейнов рек с целью установления участков с наиболее напряженным балансом. По каждому такому участку устанавливается общая структура и преобладающие виды использования водных ресурсов, идентифицируются основные объекты - потребители водных ресурсов, оценивается влияние прудов и водохранилищ на ВХБ. Аналогичный анализ проводится и для выявления основных точечных источников загрязнений. По каждому водному объекту устанавливаются перечень ингредиентов, концентрации которых превышают предельйо допустимые нормы, анализируется их пространственно-временная динамика, выявляются водные объекты, наиболее напряженные по показателям качества вод.

В результате реализации рассмотренных этапов ранжирования строятся ситуационные схемы водохозяйственной (рис.11) и гидрохимической

Ситуационная схема водохозяйственной обстановки в бассейне р. Воронеж

s!

« Е

01 s о Cl о

оа с; а

©'■заа) (D

14(0)

9(8)

■ >18(55 )

Плавица

©RMfli©

8(10)^7(80

Ï®

р.Самовецг

Ф

Р .бШГОР!

11(98)

2 117(180)

1C0Û

lîMllCD:

2(310) • ■I

5(0)

¿■15(B) ¿(217 ) LâmT

Р. В О Р

16(91) О НЕ

Л

18(0 ) ---шГ~

ж

13(8)

Приток р . Ст. Рясяк

4(0) ^3(8)

8^-гранацы водохозяйственных участков

" -хар актерисгаческая группа ВХБ для участка

©

-характеристическая группа ВХБ для бассейна реки А • для среднемаловодного года (Р =75%) В - для маловодного года (Р =95%) 1...19 -номера расчетных створов (310) - местоположение расчетного створа - местоположение устья притока водохранилище, а - Магырское; 6 - Воронежское

Рис. 11

Расчетные водохозяйственные участки

1.р Лесной Воронеж, исток-устье

2.р.Ворокеж, исток-гр .Тамбовской и Липецкой обл.

3.р.Приток Ст. Ряса, исток-гр.Таибовской и Липецкой обл.

4.р.Пркгок Ст. Ряса, гр.Тамбовской и Лип едкой обл.-устье

5.р.Ст. Ряса, исток-устье

6.р.Воронеж, гр.Таыбовскон и Липецкой обл.-устье

7.р.Плавпца, исток-гр Липецкой и Воронежской обл.

8.р Ллаьица, гр Липецкой и Воронежской обл.-гр Липецкой и Тамбовской обл.

9.р.Плавица, гр Липецкой и Воронежской обл.-устье Ю.р.Матыра, исток-гр Липецкой и Тамбовской обл. И.р.Байгора, исток-гр Липецкой и Воронежской обл.

12.р.Байгора, гр Липецкой и Воронежской обл.-устье

13.р.Самовец, ясток-гр.Тамбовской и Липецкой обл.

14.р.Самовед, гр.Тамбовской и Липецкой обл.-устье

15.р.Матыра, гр.Тамбовской н Липецкой обл.-устье

16.р.Воронеж, устье р.Матыра-гр Липецкой и Воронежской обл.

17.р.Усмаяь, исток-гр Липецкой s Воронежской обл.

18.р.Усмаш., гр Липецкой и Воронежской обл.-устье

19.р.Воронеж, грЛипецкой и Воронежской обл.-устье

uj и»

обстановки в бассейнах рек, определяется перечень первоочередных по остроте экологической обстановки бассейнов рек и участков, списки хозяйственных объектов и точечных загрязнителей, другие вспомогательные материалы, необходимые для дальнейших детальных исследований причин неблагоприятной экологической обстановки в бассейнах рек, входящих в приоритетную группу.

Технологическое обеспечение разработанного метода сшуационного анализа составляет программный информационно-технологический комплекс для ПЭВМ. На основе метода сшуационного анализа выполнены исследования водохозяйственной обстановки и качества вод в бассейнах рек Дона.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИОННЫХ И ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

В главе рассмотрены вопросы формирования экономической оценки водных ресурсов на основе применения оптимизационных и информационно-технологических моделей. Разработан подход к построению оптимальных производственных функций для задачи планирования водных ресурсов в бассейне реки и механизм построения на их основе экономических оценок водных ресурсов. Рассмотрен подход к построению экономических оценок водных ресурсов в условиях рынка, основанный на применении функций спроса. Разработана информационно-технологическая модель расчета платы за использование водных ресурсов с учетом фактора качества вод, в основе которой лежит ряд прагматических методик, предлагаемых сегодня в качестве методической основы механизма платного водопользования.

Господствовавшее в течение д лительного периода времени представление о неограниченности водных ресурсов, породило концепцию о бесплатности их получения. Однако, с развитием водоемких производств, загрязнением водных источников, возникновением противоречий между водопользователями по поводу использования водньис ресурсов и, наконец, с появившемся дефицитом воды в ряде бассейнов крупных рек затраты общества на увеличение располагаемых водных ресурсов и их доведение до необходимых стандартов качества резко возросли. Стало очевидно, что вода является ограниченным и довольно дорогостоящим для общества ресурсом.

Развитием подхода, основанного на бесплатности водных ресурсов, явилась так называемая затратная концепция, в соответствии с которой денежная оценка водных ресурсов должна измеряться затратами труда на их освоение и поддержание в эксплуатационном состоянии. Такой подход близок к концепции бесплатности водных ресурсов, поскольку он исходит из положения об их неограниченности, а ограниченности других видов ресурсов (трудовых, денежных, материальных). Альтернативой затратной кон-

цепции в нашей экономике появилась доходная (результатная) концепция, в соответствии с которой в основу оценки водных ресурсов должна быть положена часть валового дохода (или за вычетом текущих затрат), получаемая от использования водных ресурсов.

Несмотря на имеющиеся отличия затратного и результатного подходов к оценке водных ресурсов, их объединяет то, что оба подхода рассматривают водные объекты вне их связи друг с другом и другими звеньями хозяйственного механизма. Механизм оценки водных ресурсов должен включать в себя оба подхода без присущих им недостатков. Определенные перспективы решения этой проблемы дает теория оптимального планирования. Система ее подходов достаточно универсальна по отношению к формам собственности.

Рассмотрим задачу оптимального планирования водных ресурсов в бассейне реки, сформулированную в виде задачи двухэтапного стохастического программирования. Первый этап - выбор "стратегических" решений, определяет параметры ВХС (емкости водохранилищ» объемы водопотребле-ния, уровни сработки водохранилищ), второй - определяет внутригодовой оперативный план использования водных ресурсов, включая режим работы водохранилищ и распределение воды между водопользователями, л

так х

М тах X <Р±(У±) ~ ГМ .ь У 1=1

(12)

дг(х) ^ о " (13)

. д2(х,у)*0 (14)

д3(у) < Ъ(х) (15)

х > 0,у Н

Здесь х - переменные первого этапа; переменные второго этапа;

<р&±)- производственная функция ¿-го водопользователя, характеризующая зависимость между режимом использования водных ресурсов и долей чистого дохода водопользователя, получаемого от использования водных ресурсов; Пх) - затраты, связанные с обеспечением водопользователей водными ресурсами; (13) - группа технологических ограничений, связанных с созданием и эксплуатацией водохозяйственных объектов; (14) - ограничения устанавливающие связь между переменными первого и второго этапов; (15) - водоресурсные ограничения, определяемые функцией распределения Р(Ь, х); Ь - случайная величина стока.

Применительно к водохозяйственным задачам двухэтапного стохастического программирования, вида (12) - (15) О.П.Кисаровым (1975 г.) предложена сходящаяся итерационная процедура построения детерминированного эквивалента, учитывающая специфику структуры производственных

функций и функций распределения вероятностей стока, позволяющая в нашем случае свести поиск оптимального предварительного плана задачи (12) - (15) к решению следующей детерминированной задачи:

д^х) й V] , j •= 1,2,..., т ^

х £ О

Здесь - производственная функция ¡-го водопользователя, а Уу

располагаемые водные ресурсы в)-ои створе.

Створы, в которых д^(х) = У^, называются замыкающими. Если дця

задачи (16) - (17) может быть построена двойственная задача, то ее решение определит систему двойственных оценок О = 1/2,..., го (здесь_/ - номер замыкающего створа), которые рассматриваются как цены ресурса в оптимальном плане. Двойственные оценки Я^ тем выше, чем выше дефицитность ресурса и наоборот, с уменьшением дефицита оценка падает и равна нулю при его отсутствии. Таким образом, получение двойственных оценок водных ресурсов с использованием модели (16),(17) возможно при известных производственных функциях Значительный вклад в методологию построения производственных функций для различных водопользователей внесли Е.П.Галямин, Г.Х.Исмайылов, ВА.Кардаш, О.П.Кисаров, В.ГЛряжинская, А.И: Столяров, О.В. Тклков, А.М.Черняев, В.В.Шабанов и другие ученые.

Предлагается следующий подход к построению оптимальной производственной функции на примере одного из самых крупных водопользователей в бассейне рДон - орошаемого земледелия. В качестве производственной единицы примем оросительную систему. Модель оросительной системы может быть представлена в следующем виде (В.Г.Пряжинская, 1973 г., В А.Кардаш, 1974 г., О.П.Кисаров, 1975 г.):

(16)

= шак|с£ х2 £ ^(ВД,^) ~ Г^) ~ 2/й) ■

^ \_ц

(18) .

(19)

2 2 Зу , 1 е Ь„

(20)

Здесь с - коэффициент ущерба от случайного характера стока; Хд- искомая площадь орошения в /-севообороте; ^^-коэффициент участия //-культуры в /-севообороте; Ц^ - закупочная цена р -культуры; 1^(2^) - функция урожайности ц-культуры; Уцг текущие затраты (на 1 м3 поливной воды), связанные с орошением; - приведенные затраты на создание оросительной системы и инфраструктуры, приняты пропорциональными площади орошаемых земель; т\ - КПД оросительной системы; V - объем выделяемой воды; V - категория земель.

Объектом моделирования принята Мартыновская оросительная система в Ростовской области. В качестве исходной информации взяты данные к проекту оросительной системы. Естественно, что оптимальные варианты решений, полученные на модели (18) - (20), не совпадают с проектными. Диапазон изменения V принят от 0 до 90 млн.м3 с шагом 10 млн.м3. Результаты решения задачи представлены на рис.12 в виде аппроксимирующей кривой построенной по значениям функции (18) в точках оптимума при фиксированных значениях переменной V, а также в виде кривой Д(у)- отражающей зависимость оценки водных ресурсов от значения переменной V (для сопоставления с проектным вариантом цены взяты на уровне 1983г.)

Рис. 12. График оптимальной производственной функции для оросительной системы

В условиях комплексного использования водных ресурсов в модель (16), (17) вводятся известные ^¿С^), а ограничения (17) преобразуются к виду:

2 № ^ V] (21)

где ¿ - номера водопользователей, отнесенные к ]-у замыкающему створу.

С практической точки зрения вызывает интерес механизм формирования цены на водные ресурсы в условиях отсутствия в бассейне дефицита воды. С позиции оптимизационного подхода это означает, что двойственные оценки воды равны нулю. В классической экономике существует подход, основанный на применении функций полезности для решения таких задач.

Обозначим через Лс- исходную цену на ресурсы, которая зависит от величины спроса на данный ресурс и может быть выражена в виде функции

спроса Лс = где у-в ели чина спроса на ресурс. Предполагая возможность построения функции связи затрат с располагаемым к продаже объемом водного ресурса СМ, задачу определения цены на воду Xе можно представить в виде:

гаа^-у-ф)] ■ (22)

■V £ О

В случае комплексного использования водных ресурсов, следуя общей идее, можно построить функции спроса для отдельных групп водопользователей, полная же функция спроса является комбинацией частных функций спроса водопользователей или их групп. В рассмотренном выше случае с

оросительной системой схема построения функции Xе (V) может быть представлена в виде следующей процедуры. Введем в (18) плату за водные ресурсы :

¥(у) = та» х,г

сХх;

- ^(Хр г^) -

(23)

Задаваясь последовательностью значений величины Ас и решая для каждого из них задачу (23), (19), (20), строим функцию спроса Xе (V) в предположении, что каждый водопользователь закажет при данном значении Лс тот объем воды, который соответствует положительному максимуму решения указанной задачи (рис.13)

Xе, руо^мз 0.1в -

а=0,01428 Ь=0,17645

Xе = а + Ье~а'у «1=0,02023

о.ов

0.04

0.14

0.12

0.10

о.оа

20

во

во ХЛмлн.кув.м

Рис. 13. Функция спроса для ОС

Несмотря иа очевидные достоинства метода оптимального планирования, его применение для формирования цен на водные ресурсы встречает ряд серьезных трудностей теоретического, информационного и вычислительного характера. Именно это явилось причиной появления ряда прагма-гических методик определения нормативов платы за пользование водными эбъектами. Эти методики рекомендованы сегодня в качестве основы вне-хряемого механизма платного водопользования. Учитывая, что указанный тодход будет в дальнейшем развиваться и совершенствоваться, на его осно-зе разработана информационно-технологическая модель расчета платежей ;а использование водных ресурсов в бассейне реки. Исследования автора в »той области были связаны с разработкой принципов, позволяющих учиты-$ать в рамках такого подхода фактор качества забираемой воды. На основе разработанной модели выполнены вариантные расчеты для бассейна р.Дон ! целью оценки влияния фактора качества вод на структуру и объем плате-кей в отраслевом, территориальном и бассейновом разрезах.

В настоящей работе решается актуальная народнохозяйственная проблема совершенствования процесса управления водными ресурсами на ос-юве разработки и внедрения современных систем управления.

Наиболее существенные научные результаты, полученные автором в [роцессе исследований, заключаются в следующем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

1. На основе систематизации и теоретического обобщения опыта разработаны методологические положения и принципы создания систем управления водными ресурсами на основе АИСС ППР, сформулированы принципы построения математического и информационного обеспечения процесса подготовки и принятия решений в таких системах.

2. Создана система управления водными ресурсами бассейна крупной реки, действующая в условиях сложившейся структуры бассейновых органов управления водными ресурсами с учетом специфики процессов подготовки и принятия решений в условиях трансграничного водного объекта. На основе обобщения накопленного опыта развиты методологические и технологические основы процесса подготовки и принятия управляющих решений в условиях функционирования АИСС ППР.

3. Разработана система имитационно-оптимизационных моделей, их информационно-технологическое обеспечение для решения задач, возникающих в процессе управления водными ресурсами на уровне бассейна реки. Разработаны алгоритмы и программы, обеспечивающие решение задач, реализацию планов имитационных экспериментов.

4. Разработаны проблемно ориентированные информационно-технологические комплексы для ПЭВМ, обеспечивающие автоматизацию процесса создания имитационных моделей для целей исследования режимов функционирования и построения правил управления ВХС. Выполнен анализ обеспеченности водными ресурсами участников водохозяйственного комплекса в бассейне р-Дон на современном этапе его развития.

5". Представлена структура и разработана информационная технология решения, задачи построения динамических диспетчерских правил управления водохранилищем комплексного назначения. Реализована эвристическая процедура последовательного уточнения элементов динамического диспетчерского трафика.

6. Разработана процедура численного машинного эксперимента для построения правил управления водохранилищем, учитывающих возможность использования срочных прогнозов стока.

7. Разработан метод ситуационного анализа состояния водных объектов, основанный на оценке водохозяйственной обстановки и качества вод в бассейне реки.

8. На основе разработанных методических положений и процедур ранжирования водных объектов выполнен анализ состояния некоторых рек бассейна Дона.

9. Сформулирован подход к формированию экономической оценки водных ресурсов на основе применения оптимизационных и информационно-технологических моделей. Разработаны принципы построения оптимальных производственных функций и механизм формирования экономических оценок водных ресурсов на их основе.

10. Разработана информационно-технологическая модель расчета платы за использование водных ресурсов, для бассейна р. Дон выполнены ва-

эиантные расчеты по оценке влияния фактора качества вод на структуру и )бъем платежей в отраслевом, территориальном и бассейновом разрезах.

11. Результаты и положения диссертационной работы использованы фоектными и бассейновыми эксплуатационными организациями для со-(ершенствования процесса управления водными ресурсами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Косолапов А.Б. Применение экспертных оценок в практике водорас-феделения //Методы системного анализа в управлении водохозяйственны-ш системами.-Новочеркасск, 1979.-С.22-25.

2. Косолапов А.Е. Оптимальное оперативное управление режимом ра-юты каскада водохранилищ с учетом прогноза речного стока //Методы истемного анализа в управлении водохозяйственными системами. - Ново-[еркасск, 1979. - С.26-33.

3. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. О применении искусственных гид-юлогических рядов к расчету водохранилищ многолетнего регулирования ^Использование ЭВМ в разработке математических методов управления :одным хозяйством. - Новочеркасск, 1980. - СЗ-26.

4. Кисаров О.П., Косолапов А.Е. Системное управление в эксплуата-1ии оросительных систем. - Новочеркасск, 1980. - 90 с.

5. Кисаров О.П., Косолапов А.Б., Москаленко А.П., Плотницкий И А. 1ланирование и оперативное управление использованием водных ресурсов ¡ассейна р Дон //Рациональное использование водных ресурсов. - М.: Нау-а, 1980. - С.53-59.

6. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Регулирование высоких половодий а р,Цон //Совершенствование методов эксплуатации гвдромелиоратив-ых систем. - Новочеркасск, 1981. - С.42-48.

7. Косолапов A.B., Кувалкин A.B. О выборе критерия для имитацион-ых экспериментов с математическими моделями ВХС //Совершенствование етодов эксплуатации гидромелиоративных систем. - Новочеркасск, 1981. С.71-79.

8. Косолапов А.Е. Применение, методов математического моделирова-ия при выборе режима функционирования сложных водохозяйственных истем //Тезисы докладов Республиканской научно-технической конферен-ии молодых ученых и специалистов по водному хозяйству "Внедрение [ИР в водное хозяйство". - Ташкент, 1981. - С.88-89.'

9. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Разработка типового математиче-<ого обеспечения для имитационного моделирования сложных водохо-1йственных задач //Реконструкция, капитальный ремонт и техническое со-ершенствование оросительных систем. - Новочеркасск, 1982. - С.З-12.

10. Кнсаров О.П., Косолапов А.Б., Кувалкин A.B. Исследование режимов функционирования водохозяйственной системы бассейна реки на имитационной модели с учетом динамики ее развития //Тезисы докладов Всесо-юз.научнотехн.совещания "Состояние и задачи комплексного использования водных ресурсов страны". -Минск, 1986.-С.85.

11. Косолапов A.B., Байрамуков ШЛ. Использование имитационной модели при выборе режима функционирования Объединенной Ставропольской водохозяйственной системы //Известия СКНЦ, Сер.техн.науки. -Ростов-на-Донл 1986. - N1 -С.55-56.

12. Кисаров О.П., Косолапов А.Е.Водохозяйсгвенные системы на Нижнем Дону и Северном Кавказе //Материалы Республиканского совещания "Проблемы формирования объединенных региональных водохозяйственных систем". - Свердловск, 1986. - С.34-39.

13. Черняев А.М., Косолапов А.Е. Опыт и перспективы применения математических моделей для выбора и оценки вариантов развития ОВХС //Материалы Республиканского совещания "Проблема формирования объединенных региональных водохозяйственных систем". - Свердловск, 1986. ■ С.115-120.

14. Косолапов А.Е., Баженова ГА., Конькова Т.Г. Регламентация во дохозяйственной деятельности на основе АИС бассейна реки//Тезисы док ладов Всесоюзного совещания "Совершенствование системы управления i контроль за использованием и охраной вод в СССР на базе объединенные региональных ВХС. - Свердловск, 1987.-С.30.

15. Черняев А.М., Косолапов А.Е. Регулирование качества вод в бас сейне реки на базе информационно-советующей системы (ИСС) //Состояни и перспективы развития методологических основ химического и биологи ческого мониторинга поверхностных вод суши, Тезисы докладов ХХП Всесоюз хидрохим.совсщания. Том 1. г.Ростов-на-Дону, 1987.-С.32-33.

16. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Базовая имитационная модель дат водохозяйственных исследования //Использование ЭВМ в планировании управлении водохозяйственными системами и процессы эксплуатации оро сительных систем. - Новочеркасск, 1988. - С.11-17.

17. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B., Москаленко А.П., Плотницки ИА. Автоматизированная система управления водоохранной и водохо зяйственной деятельностью в бассейне реки //Использование ЭВМ в пла нировании и управлении водохозяйственными системами и процессы экс плуатации оросительных систем. - Новочеркасск, 1988. - С.3-10.

18. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B., Плотницкий И А.,Богатырев ВА Информационно-советующая система для регламентации водохозяйствен ной и водоохранной деятельности в бассейне реки //Тезисы докладов Всесо юзн.школы-семинара "Автоматизация научных исследований в проектиро вании АСУ ТП в мелиорации" - Фрунзе, 1988. - С.94-95.

19. Косолапой А.Е., Кувалкин A.B. Исследование перспективных задач регулирования стока в бассейне р.Белой //Планирование и анализ водохозяйственных систем. - Новочеркасск, 1989. - С.3-11.

20. Косолапов A.B., Кувалкин A.B. Принципы программной реализации моделей ВХС и управления машинными экспериментами. Красноярск,

1989. -С.30-36.

21. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Выбор параметров элементов диспетчерского графика управления водохранилищем на имитационной модели //Охрана природных вод Урала. - Свердловск, 1990. - N19. - С.33-44.

22. Косолапов А.Е., Богатырев ВА.,Кувалкин A.B. и др. Автоматизированная информационно-советующая система использования и охраны вод в бассейне р.Северского Донца //Тезисы докл.Всесоюзн.конференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". - Новочеркасск, 1990.-С.44-45.

23. Плотницкий И А.,Косолапов A.B., Клименко О А., Модель оценки антропогенной нагрузки сточными водами поверхностных водных источников // Тезисы докл.Всесоюзнлсонференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". - Новочеркасск,

1990. - С.46-47.

24. Косолапов А.Е., Янгулова НА., Мордвинцев А.М. Региональные вычислительные сети - как средство совершенствования государственного управления водными ресурсами II Тезисы докл.Всесоюзнлсонференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". -Новочеркасск, 1990.-С.48-49.

25. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B., Плотницкий И А. и др. Имитационная модель бассена реки как средство анализа альтернативных вариантов использования водных ресурсов II Тезисы докл.Всесоюзн .конференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". - Новочеркасск, 1990. - С.50.

26. Косолапов А.Е., Янгулова НА.,Шефер ВА., Богатырев ВА. Оперативное планирование использования Водных ресурсов в составе АСУ Донского бассейнового водохозяйственного объединения // Тезисы докл.Всесоюзн-конференции "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". - Новочеркасск, 1990. - С.44-45.

27. Концепция рационального использования и охраны малых рек/ колл.авторов.//Экологический вестник России.- 1992.- N3.- С.51-77.

28. Черняев А.М.,Прохорова Н.Б., Косолапов A.B. и др. Управление водными ресурсами в бассейне реки/ Екатеринбург, 1993. - 115 с.

29. Косолапов А.Е.,Бондаренко АД. Информационно-советующая система анализа водохозяйственной ситуации в бассейне реки Юкосистемный подход к управлению водными ресурсами в бассейнах рек. Материалы научно-практической конференции. - Екатеринбург, 1994. - С.53-54.

30. Косолапое А.Е.,Гузыкин Д.С. Классификация водных объектов пс уровню техногенных нагрузок // Экосистемный подход к управлению вод ными ресурсами в бассейнах рек. - Материалы научно-практической кон ференции. - Екатеринбург, 1994. - С.54-55.

31. Косолапов А.Е.,Кисаров О .П. Система расчета платы за воду в бас сейне реки с учетом качества используемой воды II Экосистемный подход i управлению водными ресурсами в бассейнах рек. - Материалы научно практической конференции. - Екатеринбург, 1994. - С.55-56.

32. Косолапов А.Е.,Кисаров О.П., Шефер Е.А. и др. Экономические ос новы механизма управления водными ресурсами. Екатеринбург, 1995.-56 с.

33. Косолапов А.Е., Кувалкин А.В.,Мордвинцев М.М., Магамедзаги ров З.М. Ландшафтно-гидрологический подход к обоснованию сети мони торинга и управления малым водосбором //Мелиорация и водное хозяйст во, 1995.-N6-C.24-25. ...

34. Косолапов А.Е.ДСисаров О.П., Шефер ЕЛ. Система платного водо пользования в бассейне реки //Материалы Всероссийской конференци "Бассейн реки: эколого водохозяйственные проблемы рационального водо пользования". - Екатеринбург, 1996.-С.48-49.

35. Косолапов А.Е., Кувалкин А.В. Экосистемный подход к управле нию водосборами малых рек // Материалы Всероссийской конференци "Бассейн реки: эколого водохозяйственные проблемы рационального воде пользования". -Екатеринбург, 1996.-С.50-51.

36. Косолапов А.Е., Кувалкин А.В., Магомедзагиров З.М. Ситуаций! ный анализ уровня техногенных нагрузок на водные объекты бассейнов ре //Материалы Всероссийской конференции "Бассейн реки: эколого водохс зяйственные проблемы рационального водопользования". - Екатеринбур 1996. - С.51-52.

37. Косолапов А.Е., Кувалкин А.В.,Магамедзагиров З.М. и др. Мел-дика ситуационного анализа водохозяйственной обстановки и качества вс в бассейнах рек. - Екатеринбург, 1996.-58 с.

38. Косолапов А.Е., Плотницкий ИА. Оперативный прогноз качеств воды водотоков в условиях аварийного сброса сточных вод //Матерная Всероссийской конференции "Бассейн реки: эколого водохозяйственнь проблемы рационального водопользования". - Екатеринбург, 1996.-С.5 55.

39. Сhemiaev A.,Kossolapov A., Bogatyrev V. System of water resourc management in river Don basin //Joint Soviet - Netherlands Seminar on Wat Quality Proíection, held in Lelystad, December, 8-12,1991.-6p.

Подписано к печати 04.03.96 г. Объем 2,75 пл. Тираж 100 экз. Заказ № 281

Типография НГТУ, ул. Просвещения 132