Оптимизационные модели в гидроэкологии

В п. 1.2, где рассматривалось место гидроэкологии в системе наук, отмечалось, что область исследования гидроэкологии тесно связана с вопросами управления водными ресурсами (водный менеджмент). Для иллюстрации этой связи кратко рассмотрим основные положения оптимизационного моделирования в экологии.

Основной задачей менеджмента является поиск и принятие эффективных управленческих решений, и для решения этих задач также широко используется метод моделирования. При этом используются оптимизационные модели, принципиально отличающиеся от рассматривавшихся ранее моделей экосистем, которые являются имитационными.

Оптимизационные модели – это модели, предполагающие нахождение экстремума (минимума или максимума) целевой функции (цели оптимизации, при заданной системе ограничений на целевую функцию. Имитационные модели служат цели воспроизведения реальной системы на искусственной модели для изучения механизмов взаимодействия между различными компонентами экосистемы, влияния воздействия на нее различных внешних факторов. Оптимизационные модели используются для поиска наилучшего варианта решения на основе заданных входных данных и ограничений.

Что "оптимизируют" в оптимизационных моделях водного менеджмента?

Эти модели являются по своей сути эколого-экономическими. В них водный объект рассматривается как часть водохозяйственной системы (ВХС). ВХС служит объектом математического эколого-экономического моделирования. Водохозяйственная система – это связанные между собой водные объекты, гидротехнические, водопроводные, канализационные и другие сооружения, предназначенные для обеспечения рационального использования и охраны вод. Компонентами водохозяйственного комплекса являются в разных сочетаниях, в зависимости от целей создания и природно-экономической ситуации, энергетика, ирригация, водный транспорт, лесосплав, водоснабжение, рыбное хозяйство и др. Эти компоненты взаимодействуют между собой и влияют друг на друга и водохозяйственную систему в целом. Задачей управления ВХС является обеспечения устойчивого функционирования системы в целом на основе сбалансированного сочетания экономических, социальных и экологических факторов, учета интересов населения, народного хозяйства и вопросов охраны окружающей среды.

Вопросы устойчивого развития тесно связаны с вопросами экологии, изучения взаимодействия человека и природы, поэтому управление водными ресурсами переплетается с задачами гидроэкологии.

Эколого-экономическое моделирование ВХС также основано на принципах системности. Выше по тексту было приведено определение ВХС как системы, состоящей из элементов, между которыми существуют связи. Моделирование водохозяйственной системы должно обес­печить целостное представление о развитии водного хозяйства. Поэтому в рассмотрение должны включаться основные взаимосвязи между элемен­тами ВХС при условии, что они превалируют над изучением элементов как таковых и закономерностей внутри них.

ВХС можно расчленить на иерархические уровни по территориально-отраслевому принципу. Система моделей водохозяйственного планирования включает уровни страны, региона, речного бассейна, типового водопотребителя.

Структурными единицами при региональном районировании территории являются речные бассейны. Водохозяйственные районы должны быть самостоятельными в границах рассматриваемых речных бассейнов. Это предполагает определенную однородность в харак­тере использования воды и закономерностях формирования водных ресур­сов. На любом уровне агрегирования водохозяйственный район должен удовлетворять требованиям производственно-экономического, гидрологи­ческого (ресурсного) и природного районирования. Изучение взаимо­действий между районами позволяет выделить в системе водного хозяйства подсистемы со слабыми связями между ними и построить иерархическую систему моделей планирования и управления.

Свойства моделей водохозяйственного планирования определяются следующими особенностями ВХС:

1. Сложность структуры из-за разнородности взаимодействующих эле­ментов-водотоков, водохранилищ, каналов, гидроэлектростанций, про­мышленных предприятий, орошаемых массивов и т.д.;

2. Межотраслевой характер использования водных ресурсов, приводя­щий к противоречиям между участниками водохозяйственного комп­лекса;

3. Динамичность развития системы в многолетнем плане с соответствую­щим изменением структуры и параметров и изменчивостью поступления и отбора воды внутри года, что требует выработки специальных правил управления и исследования надежности принимаемых решений;

4. Необходимость оценки последствий антропогенного воздействия
на природную, и в частности водную, среду и выработки мер, направлен­ных на предотвращение возможных отрицательных последствий функци­онирования ВХС, выражающихся в загрязнении водных объектов, засоле­нии и деградации почв, обмелении рек, эвтрофикации водоемов и т.д. (Пряжинская В.Г., Рикун А.Д., Шнайдман В.М. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами. М.: Наука, 1988, стр. 26).

В настоящее время уже накоплен значительный опыт решения оптимизационных производст­венных задач. Однако попытки применения методов оптимизации в слож­ных эколого-экономических системах встречают серьезные трудности. Прежде всего это трудности выбора критерия. Рассмотрим для примера оптимизационные модели в планировании водоохранных мероприятий.

Загрязнение водных источников вызывает у водопотребителей дополни­тельные затраты на водоподготовку, приводит к ухудшению условий жиз­ни населения и уменьшению жизнеспособности или полной деградации экосистем. Но мероприятия по оздоровлению водных ресурсов чрезвычай­но дорогостоящие. Именно поэтому во многих работах предлагается учитывать эффект от природоохранной деятельности на основе компенсаций предотвращенного ущерба.

К сожалению, до сих пор не существует общепризнанных методик оп­ределения ущербов от загрязнения окружающей природной среды. Это связано с тем, что если дополнительные затраты на водоподготовку и поте­ри в производстве относительно легко оценить в денежном выражении, то ухудшение жизненных условий населения, а тем более будущие потери из-за нарушения равновесия в природной среде гораздо труднее определить в стоимостном виде.

В настоящее время в практике планиро­вания водоохранных мероприятий более распространен нормативный подход. В этом случае экологические ограничения вводятся в модель в виде экзогенно заданных показателей качества сточных (предельно допустимые сбросы — ПДС) или естественных вод (предельно допустимые концентра­ции — ПДК). В соответствующих математических моделях в качестве крите­рия оптимизации используется минимум приведенных затрат на реализа­цию водоохранных мероприятий. При таком подходе не анализируется экономическая достижимость найденных решений, а основные трудности формирования задач связаны с определением зависимости затрат от выби­раемых вариантов технологии обработки сточных вод.

Определение эффективности водоохранных мероприятий на основе ми­нимизации затрат при достижении нормативов качества воды, в свою оче­редь, имеет ряд недостатков:

- неучет величины экономического эффекта от охраны среды, т.е. абсолютной эффективности,

- величина сокращения выбросов не равнозначна предотвращенным потерям народного хозяйства от загрязнения среды, так как они зависят и от количества населения, проживающего в данной местности, и от вели­чины основных производственных фондов, сельскохозяйственных, лесных и рыбных угодий, подвергающихся негативным воздействиям загрязнения;

- получающиеся решения могут оказаться неустойчивыми в случае, когда
фоновые концентрации загрязнений близки к уровню ПДК.

Принципиальная труд­ность моделирования комплексных эколого-экономических систем заклю­чается в необходимости сопряжения в одно целое моделей и показателей
существенно различной степени изученности и точности. Искусство системного подхода здесь заключается в вы­боре структуры и степени агрегированности составных частей модели, их оптимальном согласовании.

Построение агрегированных показателей состояния эколого-экономических систем (индексы качества, функции полезности и т.д.) — неординар­ный процесс. Мы еще не умеем обоснованно соизмерять возможный ущерб от нарушения условий существования сложившихся экосистем с теми эко­номическими благами, которые может получить при этом человеческое общество. Включение в математическую модель, например, условия выпол­нения норм (ПДК) для различных загрязнителей означает сужение области допустимых состояний системы природа—общество до подмножества, где требования охраны природной среды выполняются с заданным запасом надежности и обеспечивают поддержание равновесия системы при ее функ­ционировании. В терминах функции эколого-экономической полезности учет природоохранных условий лишь в качестве ограничений означает су­жение области определения этой функции на подмножество, где ее изме­нение по чисто природным аргументам есть величина пренебрежимая по сравнению с вариацией по экономическим параметрам Пряжинская В.Г., Рикун А.Д., Шнайдман В.М. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами. М.: Наука, 1988, стр. 49).

Значительные трудности при составлении оптимизационной модели может вызвать и этап подготовки и сбора исходных данных. Например, для составления модели оценки перспектив развития водного хозяйства на уровне определенной территории (район, регион, страна) необходим сбор весьма разнообразных данных. Получение такой информации, как потребность в водоемких видах продукции, урожайность культур и продуктивность животноводства, а также показатели естественного увлажнения, располагаемых водных, трудовых, земельных и иных ресурсов, экономические и экологические показатели и многое другое требует организации специальных исследова­ний.

Основные исходные материалы для оптимизации развития водного хо­зяйства - проработки проектных, плановых и научно-исследовательских институтов, дающие обобщенные технико-экономические и иные показате­ли объектов и мероприятий на организацию производства водоемких видов продукции, на потребности и условия использования вод основными водопотребителями с учетом местных особенностей обеспеченности водными ресурсами, перспектив изменения технологии водоемких производств.

Исследование задачи развития водного хозяйства позволяет ре­шить вопросы выбора варианта размещения производства, который должен определить соотношение объемов выпуска каждого вида продукции на действующих, реконструируемых и новых предприятиях; обосновать це­лесообразность замены выпуска одного вида продукции другим. В качестве ограничений в модель могут вводиться, например, плановые экономические показатели по отраслям и территории в целом, ресурсные ограничения, ограничения природоохранного характера.

Решение задач водной экологии невозможно без рассмотрения экономических и социальных факторов, без анализа водного объекта как части антропогенно-природного сообщества. Потому приведенные выше примеры эколого-экономических моделей также входят в область исследований гидроэкологии.