Предлагаемая работа посвящена моделированию и рациональному использованию водохозяйственных систем речных бассейнов для выработки различных стратегий управляющих воздействий в области очистки и сброса вод.
Совершенствование управления водопользованием на уровне бассейнов рек приобрело особую актуальность в настоящий момент в связи с условиями переходного периода и формирующегося экологического кризиса. Осуществляется переход от полностью несостоятельной технократической концепции водопользования к той общегосударственной политике водопользования, при которой оно должно стать частью экономической и социальной политики государства, нацеленной на конкретный результат. Первый этап реформы водопользования определил разработку правового, юридического, и научного обеспечения функционирования отрасли. Ясно, что теперь требуется разработка механизмов управления, который включает административные и экономические рычаги, их разумного сочетания.
Срочность решения этих проблем определяется тем, что на сегодня природопользование все еще не выступает самостоятельным элементом в системе управления производством, воздействие на окружающую среду по прежнему не уменьшается и не учитывается. Предприятия не заинтересованы в поиске технологических новшеств, позволяющих снизить сброс загрязнений в природные воды. Работает только механизм прямой связи — сбор платежей за загрязнение, а обратная связь — поддержка наиболее эффективных мер снижения сброса не осуществляется. Ее и не может быть без внедрения целостной комплексной схемы управления с эффективной системой информационной поддержки принимаемых решений.
При решении задач, касающихся стратегических вопросов развития водоохраны в речном бассейне необходимо использование методов системного анализа и математического моделирования, оптимизационных и имитационных моделей. Наряду с использованием современной техники это позволяет увеличить объем учитываемой информации, дать количественную оценку значимости различных процессов и выделить наиболее существенные факторы для достижения поставленных целей.
В случае разработки новой системы водоуправления — на основании методов математического моделирования — появляется прогрессивное административное регулирование, которое предполагает возможность не только детализированного расчета рекомендаций по всем существенным источникам сбросов загрязняющих веществ сложной эколого — экономической системы, но и прогноз управляющим органом реакций элементов системы на его управляющие воздействия. Далее при экономических методах регулирования природоохранной деятельности основной упор делается на децентрализованный поиск источниками загрязнений наиболее эффективных путей снижения общего уровня загрязнения.
Происходящее усиление экономической самостоятельности регионов определяет необходимость переноса тяжести управления на бассейновый уровень, (пример — десятки заключенных бассейновых соглашений по России), а новый Водный кодекс создает возможность формирования региональных механизмов для реализации, апробации и внедрения разработанных подходов и методик совершенствования водоохраны. В основе предлагаемого в диссертационной работе методического подхода совершенствования управления водопользованием лежит реализация новых принципов водохозяйственной политики на основании использования методов эколого математического моделирования.
Применению методов системного анализа, теории оптимального управления и математического моделирования к водным объектам посвящены работы многих авторовнапример, сколько-нибудь полная библиография только об оптимизационных моделях планирования водоохранных мероприятий потребовала бы упоминания сотен работ. Прежде всего это работы А. Б. Алехина, В. А. Вавилина, Г. В. Воропаева, А.Б.Горст-ко, В. И. Гурария, В. И. Гурмана, Г. Х. Измайылова, А. К. Кузина, В. Г. Пряжинской, А. Д. Рикун, С. А. Станишевского, Г. А. Сухорукова, Е. П. Ушакова, М. Ю. Циткина. и многих других отечественных авторов, а также целого ряда зарубежных экономистов. Наряду с определением административных рычагов управления посредством методов математического моделирования, разрабатывались методы внедрения экономических рычагов в практику природо — и водопользования. В этой области известны работы таких авторов как A.A.Голуб, К. Г. Гофман, И. И. Думова, Л. И. Кречетов, Г. М. Мкртчян, П. М. Нестеров, В. И Соколов, Е. Б. Струкова, Т. С. Хачатуров, А. М. Черняев и другие.
Еще в середине семидесятых годов было доказано, что оптимизация водоохранных мероприятий по речному басейну может дать значительную экономию суммарных затрат (Biswas, 1972; Вавилин, Циткин, 1977; Deininger, 1974; Кумсиашвили, 1980; Рюмина, 1980).
Несмотря на определенные успехи в разработке моделей, их алгоритмического, программного и информационного обеспечения оптимизационные модели пока не достаточно используются при составлении водохозяйственных проектов и водоохранных программ, а оптимизационные расчеты используются в основном как «информация к размышлению ЛПР». Их применение ограничено недостатком данных, времени, источников финансирования, нехваткой подходящих для определеных целей моделей.
По — видимому, можно выделить следующие причины редкого использования бассейновых моделей оптимизации водоохранных мероприятий на практике.
1. Распределение средств на водоохранные мероприятия почти всегда определялось по неэффективному и не оптимальному ведомственному принципу, и предлагаемые оптимизационные расчеты заведомо не вписывались в принятую систему управления, как не соответствующие основным традициям распределения средств и ресурсов.
2. Отсутствие экономических и (или) административных рычагов в практике водоуправления приводило всегда к тому, что любое предложение нестандартного, неравномерного распределения средств на реализацию «оптимальных» планов приводило к «несправедливому» распределению предполагаемых затрат. Реализация такого плана без наличия экономических рычагов в управлении, обеспечивающих перераспределение затрат между источниками загрязнений, невозможна, что и определяло прохладное отношение к таким планам.
3. Реализация предлагаемых решений, например соответствующих критерию мимнимума затрат для бассейна (региона) возможна только при существовании административных структур, заинтерисованных в улучшении состояния природной среды в регионе, материально независимых и располагающих рычагами административного управления, т. е.властью и материальными ресурсами.
Неполнота моделей, недостаток информации, отсутствие удобных для ЛПР программных средств работы с моделью и восприятия результатов, по видимому, являются вторичными причинами и не так важны.
Тем не менее не стоит недооценивать положительного воздействия, которое оказало применение методов системного анализа и оптимизационных моделей на качество реально принимаемых решений за последние десятилетия, особенно в развитых экономически странах.
На наш взгляд, по мере внедрения в практику новой концепции водопользования, новых принципов управления, более широкого использования экономических рычагов для реализации природоохранных программ, введения соответствующих времени информационных структур будет расширяться и сфера практического применения моделей оптимизации. При этом важную роль будут играть модели именно бассейнового уровня, основное назначение которых очевидно состоит не только (или не столько) в генерации рекомендаций в сокращении сбросов многочисленных источников, сколько в определении глобальных агрегированных характеристик: диапазонов затрат, необходимых для достижения тех или иных водоохранных целейраспределения этих затратэкономических нормативов реализации оптимальных планов — объема сброса загрязняющих веществ, средств на реконструкцию систем очистки и т. д.
Таким образом АКТУАЛЬНОСТЬ исследования, в основном определяется:
• Необходимостью разработки новой системы управления водопользованием в условиях эколого — экономического кризиса, особенно для условий таких речных бассейнов, как в Красноярском крае — с развитой промышленностью и усиливающимся воздействием социальной сферы.
• Недостаточностью разработки моделей, соответствующих целям определения эффективности водоохранных мероприятий, их слабой адаптации к использованию в системе л^правления на всех уровнях иерархии.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ в диссертационной рабо те — водохозяйственная система административного образования с развернутой подсистемой водоочистных сооружений отдельных бассейнов рек.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ.
Предметом диссертационого исследования являются различные по структуре экономико — математические модели и методы, ориентированные на работу специалистов территориальных бассейновых органов водоуп-равления и водоохраны, позволяющие:
— изучать сложившуюся производственно — бассейновую систему водопользования как целостную систему;
— получить надежную базу для определения лучшей стратегиии водоочистки по бассейну реки для достижения целей улучшения экологической ситуации и снижения затрат;
— иметь надежный инструмент анализа прогнозируемых воздействий и их последствий в практике водоуправления;
— получить эффективную систему информационной поддержки принимаемых решений для предприятий, расположенных в бассейне реки.
МЕТОДОЛОГИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.
Методологической основой настоящей работы является системный подход к исследованию системы водопользования в регионе. Конкретизацией системного подхода к изучению развития и изменения системы водоочистных сооружений предприятий бассейна реки по нашему мнению является подход, в котором региональные экономико-экологические системы и их взаимосвязи рассматриваются в позиций воспроизводственного процесса. Научной базой экономико —математических разработок стали общеметодологические принципы эколого — математического моделирования в применении к задачам водоохраны, для анализа и прогнозирования экологоэкономических процессов. Это работы Д. Медоуза, Р. Белманна, X. Тахи, К. Г. Гофман па. В. А. Вавилина, Циткина М. Ю., Д, Лаукса, Дж. Стединжера, А. Джемса, Горстко А. Б., и других авторов.
Из специальных методов исследования использованы методы системного анализа, экономико —математического моделирования, экономет-рические методы. Специфические особенности программных разработок обусловлены методическими и конструкционными характеристиками применяемых программных систем.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является:
Разработать методический подход, позволяющий для условий транзитивной экономики обосновать эффективность водоохранной деятельности в регионеосновой предлагаемого подхода является нелинейная модель оптимизации степени очистки сточных вод, направленная на реализацию принципов новой политики водопользования, а также на включение специалистов территориальных бассейновых органов в процесс прогнозно — аналитической и предплановой работы с ее использованием.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Рассмотреть общие положения подходов к управлению водопользованием экономически развитых и сравнительно экологически благополучных стран, для обеспечения ими концепции устойчивого водопользования. Проанализировать основные принципы, закладываемые в основу той общегосударственной водохозяйственной политики, при которой она должна стать частью экономической и социальной политики государства, нацеленной на конкретный результат.
2 Проанализировать подходы к моделированию задач водоохраны: их специфику, направления, особенности моделирования, проблемы практического применения.
3. На основании нелинейной модели оптимизации степени очистки сточных вод в бассейновой постановке, разработать методическую основу алгоритма принятия решений для повышения эффективности водопользования.
4. Создать программный блок с использованием имитации и оптимизации для реализации системы расчетов в частично диалоговом режиме с участием ЛПР. что позволяет управляющим органам водоохранных организаций получить удобный инструмент для планирования и прогнозирования управляющих воздействий.
5. Изучить существующую информационную структуру по бассейну реки, и организовать информационную базу расчетов по основным крупным предприятиямна материалах Енисейского бассейнового водохозяйственного управления и других организаций, провести расчеты. результаты которых составляют базовую водоохранную программу по бассейну реки Енисей.
6. Предложить пути реализации водоохранной программы, аргументировать необходимость изменения существующего хозяйственного механизма управления.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ заключается в разработке современного подхода к выбору эффективной стратегии улучшения экологического состояния при снижении водоочистных затрат по бассейну реки с использованием эколого — математической модели, апробировании ее на практике применительно к бассейну реки Енисей, что достигается:
• анализом основных направлений рационального водопользования, выделением главных принципов водоохранной политики и реализацией их в методическом подходе для практического использования в водохозяйственном комплексе;
• обоснованным выбором системы моделей водоохранного назначения, и разработкой метода их решения, удобного для практической реализации;
• впервые разработанными нелинейными оптимизационными моделями:
— имеющими гладкие целевые функции, определяющими зависимости стоимости очистки от степени очистки;
— которые рассчитаны на применение не только для линейного участка, но и для бассейна реки;
— диалоговый режим решения которых с участием ЛПР ориентирован на возможность определения ограничений как по концентрации загрязнений, так и по стоимости очистки;
— предложенный метод решения моделей позволяет в неограниченном количестве расширять перечень объектов, охватываемых расчетом, — что особенно важно для водохозяйственных систем.
• разработкой «базовой» водоохранной программы, сбалансированной по затратам и конечным результатам;
• созданием и реализацией специализированных экономикоматематических методов в виде готового модельного и программного комплекса для любых региональных водоохранных управляющих органов для совершенствования управления водохозяйственными комплексами.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ проведенного исследования состоит в.
1. Создании экономике — математического инструментария, позволяющего повысить эффективность принимаемых решений в области водоохраны, который включает в себя: методику подготовки информации в существующей на сегодня информационной структуреразработанную нелинейную модель оптимизации степени очистки сточных вод в бассейновой реализации: программный продукт в системе МАТ.- ГА Б в виде имитационного и оптимизационного блоков в частично диалоговом режиме с участием ЛПР.
Информационно — модельный блок и программный комплекс позволяют эффективно решать стратегические задачи по улучшению экологической ситуации по бассейну реки и служит эффективным инструментом прогнозно — аналитической предпроек гной и предплановой работы в территориальных бассейновых органах водоохраны.
2. Проведены практические расчеты по бассейну реки Енисей (в рамках Межбассейнового соглашения по бассейну реки Енисей) и получены результаты, представляющие собой базовую водоохранную программу для улучшения экологической ситуации и сокращения затрат на водоохранные мероприятия.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Разрабатываемые модели обсуждались на научных и методологических семинарах в Институте кибернетики АН Украины (в 1991 году), в Институте биофизики СО РАН (в 1992 году), научно-практических конференциях (Харьков, (1989 год) и Днепропетровск, (1990 год)). Основные результаты исследования также были доложены на VI Международной конференции развития и управления водной средой «Чистые озера» (г.Казимаура, Япония, 1995 год).
С целью улучшения экологического состояния реки Норилка методический подход и программное обеспечение используется в Енисейском бассейновом водохозяйственном управлении для расчетов по Норильской промышленой зоне.
Работа внедрена в Енисейском бассейновом водохозяйственном управлении для применения в рамках Енисейского Межбассейнового соглашения.
По теме диссертации опубликованы 9 работ общим объемом 3,2 печатных листа.
СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы и трех приложенийиллюстрирована рисунками (12), схемами (4), таблицами (22). Список использованной литературы содержит 72 наименования. Объем диссертационной работы 125 страниц, (и 71 страница занимают список литературы и приложения).
Выводы из первого параграфа раздела 3.3.
Краткий вывод из этого параграфа можно сформулировать с. о: в результате расчетов доказано, что при оптимальной структуре очистных на реке Кан, которая предлагается как возможный вариант, годовая экономия средств составит 11,5 млн. рублей, при такой же экологической ситуации на реке, т. е. при таких же концентрациях в устье реки. Сколько будет «стоить» любое уменьшение загрязнений в реке и какие очистные сооружения должны функционировать при этом — дает возможность оценить следующий предлагаемый расчет.
УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИТУАЦИИ.
В любом случае ЛПР интерисуют вопросы уменьшения загрязнения реки и какой будет при этом стоимость очистки по реке. Это достаточно просто выяснить, изменяя требуемую концентрацию в контрольном створе при оптимизирующем расчете, на этой же исходной информацииизменим для этого лишь выбираемую концентрацию в контрольном створе. В результате получим план реконструкции очистных сооружений или строительства новых, при рассчитанной стоимости очистки в новых условиях для каждого предприятия, при выбранной концентрации в контрольном створе. Предположим, нас не устраивает концентрация в контрольном створе реки или, что одно и тоже, загрязненность Кана. Предположим, что для изменения экологической ситуации по реке изысканы средства (к вопросу распределения средств и финансовой политике экологического фонда мы вернемся позже). Концентрацию в устье выберем меньше — например 2.9 мг/л по ВРК^оПоследовательность процесса решения (методика) рассматривалась раньше. Величина снижения загрязнения определяется ЛПР. В результате решения задачи, получим план реконструкции очистных, который можно представить таблицей 3.11.
Откуда получаем, что стоимость снижения концентрации в устье р. Кан с 3.925 мг/л до 2.9 мг/л по ВРКЪа, будет 165 168.97 110 181.2 = 54 987.77(тыс.руб.) или 54.9 млн рублей. При этом проценты очистки предприятий по реке Кан на сегодня и рекомендуемые по оптимальному плану сведем для удобства в одну таблицу 4.4.
Заключение
.
В представленной работе с помощью методов системного анализа и математического моделирования были проведены следующие исследования и получены результаты:
1. Разработана конкретная методика оптимизационных расчетов для составления начальной водоохранной программы по улучшению управления водопользованием в регионе. Она может использоваться как для любой реки, так и для речного бассейна и состоит в том, что позволяет определить начальную стратегию уменьшения средств на водоочистку и улучшение экологической ситуации в водном бассейне. В основе методики лежит разработка и доведение до про-грамной реализации на системе МАТЪАВ нелинейной оптимизационной модели при выбранных ЛПР ограничениях на концентрацию загрязнителя в устье реки или в других пунктах бассейна реки. Решение модели с помощью методов динамического программирования позволяет находить оптимальное решение начиная с любой точки бассейна, а также включать в систему расчета большое количество притоков. Программная реализация в виде имитационного блока и оптимизирующей части позволяет использовать отдельно возможности имитации распространения загрязнителя по реке и оставляет возможность для дальнейшего усовершенствования имитационного блока с помощью известных разработок. Вторая программа реализует оптимальные стратегии управления очисткой по басейну реки при ограничениях на концентрации в любой точке бассейна.
2. В качестве примера по составлению программы улучшения водо-охраны произведены расчеты по бассейну реки Енисей на основании данных крупных загрязняющих предприятий и объектов коммунально — бытового хозяйства. На основе существующей информационной базы Енисейского бассейнового водохозяйственного управления, Управления гидрометеослужбы, и Управления коммунально — бытового хозяйства и жилищной политики при краевой администрации разработана методика сбора, сортировки и обработки информации. Для ЕБВУ рассчитана и предложена исходная программа улучшения водопользования для бассейна реки Енисей и улучшения экологической ситуации по реке Кан.
Произведенный первый расчет по реке Енисей показал состав и экономические характеристики очистных сооружений при сложившейся структуре производства по бассейну реки, — с учетом минимальных издержек при максимальном сокращении сброса загрязняющих веществ. При такой предлагаемой очистке определяются основные экологические характеристики по бассейну Енисея.
Этот расчет показал, что:
При оптимальной структуре очистных (для заданных условий производства) река Абакан в устье должна очищаться на 1.3 процента, река Кан — на 51.7 процента, для предприятий Красноярска очистка должна от 61 до 97 процентов, а после впадения Ангары предприятия должны очищать свои сбросы на 97 процентов. Процент очистки напрямую связан с очистными сооружениями, их мощностью и видом. Полное решение задачи дает возможность определения всех необходимых экологических и экономических характеристик для бассейна в целом.
Доказана небходимость первоочередных реконструкций очистных сооружений по бассейну реки Енисей: сначала нужно реконструировать очистные сооружения по реке Кан, далее очистные сооружения предприятий Красноярска, после — Ангары, что определяется посредством экологического анализа на результирующих графиках.
При условии отказа от строительства очистных сооружений на реке Ангара (по стоимостным соображениям или из-за полно-водности), снизить концентрации загрязнений в Енисее после ее впадения можно только в диапазоне от 3.2 — до 3.5 мг на литр (по загрязнителю БПК).
По второму расчету определялись возможности высвобождения средств по реке Кан при предлагаемой реконструкции очистных сооружений. Доказано, что перераспределение очистки по реке позволяет снизить общие издержки на очистку в размере 11.5 млн рублей при сохранившейся экологической ситуации. Выявлены все необходимые характеристики для достижения этого результата. Средняя экономическая эффективность для предприятий Кана составляет при этом 32 процента. При правильной политике стимулирования, некоторые предприятия могут не тратить средств на очистку, направляя их в экологический фонд.
Оценка «стоимости» уменьшения загрязнений по реке и объем нужной для этого реконструкции очистных сооружений, определяется в третьем расчете. Стоимость снижения концентрации на единицу в устье Кана (например по БПК), равна 55 млн рублей при определенном расчетом плане реконструкции очистных сооружений и всех необходимых характеристиках.
Полученная природоохранная программа характеризуется неравномерным вложением средств для реализации предложенных расчетов по всем предприятиям Кана, что требует внедрения экономических рычагов в процесс управления.
3. Разработанная модель и ее модификации вместе с исходной готовой базовой программой могут служить в качестве рабочего инструмента при прогнозировании результатов управляющих воздействиймодельный и программный комплекс подходит для использования в любых территориальных водоуправляющих органах.
Дополнительные возможности для анализа и прогноза предоставляет включение в модель коэффициентов самоочищения реки.
4. В работе анализируется принятая на сегодня методика нормирования сбросов загрязняющих веществ ПДК-ПСС и обосновывается ее неэффективность, а также необходимость ее существенных изменений, поскольку она противоречит важнейшему принципу водохозяйственной политики: необходимости постоянной и планомерной минимизация вредных воздействий на водные объекты.
5. Рассмотрены пути дальнейшего внедрения програмных рекомендаций после завершения расчетов.
Считаем, что необходимым условием реализации программы есть изменение существующего хозяйственного механизма в направлении самофинансирования и введении экономических рычагов в процесс управления, что дает возможность конкретизировать необходимые меры по усилению экономических методов в управлении водопользованием в условиях перехода к рыночным отношениям. Регулирующая роль бассейновых органов должна состоять в определении оптимальных стратегий достижения минимальных загрязнений по бассейну реки при сложившейся структуре производства.
Полная реализация намеченной программы по бассейну реки Енисей возможна только при условии осуществления принципиальных изменений системы водопользования и водоохраны, выражающихся в наличии административных и экономических рычагов у независимых Бассейновых управляющих органов, заинтерисованных в постоянном улучшении экологической ситуации в регионе, при разработанной системе самофинансирования, экономического интереса предприятий к проведению водоохранной политики, при действующей системе включения научных сил и общественности в процесс принятия решений, и работающей современной информационной базепри внедрении государственной политики водопользования, нацеленной на конкретный результат.
