Рокочинський А.М. Оптимізація проектних технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель

Краткое содержание

1. Проблема оптимізації водорегулювання осушуваних земель

та шляхи її розв'язання

Оптимізація водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах потребує насамперед подальшого розвитку загальної теорії оптимізації і тих підходів, які використовуються сьогодні при обгрунтуванні та реалізації гідромеліоративних заходів.

На нашу думку, сучасні, найбільш узагальнені концептуальні підходи до оптимізації меліоративного режиму через формулювання загальних принципів, визначення показників, критеріїв і створення моделей оптимізації розглянуто в рекомендаціях І.П. Айдарова, О.І. Голованова, Ю.М. Никольського (І.П.Айдаров та ін., 1990). Основні положення цих рекомендацій стосовно зони осушувальних меліорацій разом з іншими аналогічними розробками взяті нами за основу проведених досліджень. До цього слід додати, що оскільки меліоративні системи (МС) як системи сільськогосподарського виробництва (ССВ) і гідромеліоративні системи (ГМС) разом з оточуючим середовищем (Л.М. Рекс, 1995) за усіма характерними ознаками відносяться до складних природно-технічних систем (ПТС), їхнє функціонування визначається насамперед природно-кліматичними умовами об'єкта. Це має бути обов'язково адекватно враховане при його проектуванні та експлуатації.

Відповідно оптимізація водного режиму (ВР), технологічних і технічних рішень (ТТР) з водорегулювання, що його забезпечують разом з природно-кліматичними умовами, випливає з проблеми оптимізації меліоративного або загального природно-меліоративного режиму (ПМР) осушуваних земель. Складність розв'язання останньої зумовлена необхідністю узгодження таких двох діаметрально протилежних завдань як посилення біологічного та уповільнення усіма можливими засобами геологічного кругообігів води і речовин на меліорованих землях (за В.Р. Вільямсом і О.М. Костяковим).

Загальними критеріями необхідності, ефективності і доцільності проведення гідромеліорацій є врожай вирощуваних культур та екологічний ефект від впливу МС на оточуюче середовище. Тому, оскільки в складних ПТС чітко простежується структурний зв'язок виду

ефект  режим  технологiя  конструкцiя,

то стосовно розглянутої проблеми оптимізації ВР та ПМР і застосуванні принципів системного підходу до її розв'язання як складної проблеми міждисциплінарного характеру (М.Г. Андерсен, Т.П. Берт, А. Бісвас, Ван Гіг Дж., О.Л. Великанов, Г.В. Воропаєв, Є.П. Галямин, В.А. Гурин, Б.П. Карук, Н.Н. Моісеєв,    В.П. Остапчик, В.А. Платонов, Л.М. Рекс, Б.А. Файбишенко, Ю.І.Черняк, Б.Г.Штепа та ін.), вважаємо, що в основу прийняття оптимальних технологічних (способи, режими, схеми) і технічних (тип, конструкція, параметри тощо) рішень з водорегулювання осушуваних земель при проектуванні та експлуатації МС має бути покладене співвідношення (рис.1) у вигляді ієрархічної блочної структури, складові якого взаємозумовлені й взаємозв'язані між собою .

Тут блок "Природно-меліоративний режим" відіграє ключову роль, оскільки визначає загальний еколого-економічний ефект, з одного боку, та ТТР для його забезпечення - з іншого.

Звідси остаточний вибір способів, схем та режимів водорегулювання і зв'язаних з ними типів, конструкцій, параметрів ГМС та їхніх складових елементів може бути здійснений тільки на основі техніко-економічного обгрунтування (ТЕО) і розгляду можливих альтернативних варіантів ТТР на реальному об'єкті за допомогою інженерних прогнозно-оптимізаційних розрахунків, що виконуються за відповідними моделями.

Теоретичною основою для створення таких моделей має бути формалізація запропонованого основоположного структурного співвідношення (див. рис.1), зв'язок між складовими якого через абсолютно різнорідні за своєю природою явища і процеси (біологічні, хімічні, фізичні, технологічні, технічні тощо), що розглядаються, доцільно представити на функціональному рівні, відповідно між параметрами ефекту, режиму, технології та конструкції

,           .                                                          (1)

Тут - параметри загального еколого-економічного ефекту, який складається відповідно з параметрів продуктивності меліорованих угідь,;  та параметрів створюваного екологічного ефекту,;; - функція, що залежить від параметрів ПМР осушуваних земель,; - функція, що залежить від параметрів застосовуваних технологій водорегулювання,; - функція аргументів, яка залежить від параметрів конструктивних рішень МС, щодо реалізації відповідних технологій водорегулювання; - сукупність,  можливих варіантів функціонування МС як складної ПТС, тобто реалізації відповідних ТТР з водорегулювання осушуваних земель у відповідних природно-агро-меліоративних умовах реального об'єкта.

Тоді пошук параметрів складових складеної функції (1) і, в першу чергу, параметрів проектних ТТР залежно від створюваного ними еколого-економічного ефекту формально може бути здійснений за такою оберненою функцією виду

,.                                                         (2)

В основу реалізації складених функцій (1), (2) мають бути покладені дослідження закономірностей взаємозв'язаних процесів руху води у всіх різних за своєю природою складових елементах (підсистемах) МС як складної ПТС.

І хоча розглянуті складені функції (1), (2) на даному етапі досліджень не можуть бути досить адекватно виражені аналітично, все ж вони теоретично обгрунтовують можливість постановки задачі й пошуку оптимальних параметрів ТТР з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах.

Практика проведення меліорацій та набутий досвід показують, що головна особливість такого роду задач тісно пов'язана з природною сезонною циклічністю сільськогосподарського виробництва на меліорованих землях. Це дало змогу виділити три "часових рівні" за ознакою розподілу в часі між моментами прийняття і виникнення післядій прийнятих ТТР: 1- довгострокові перспективні та проектні рішення; 2- технологічна підготовка до наступного сезону; 3- оперативний режим управління (С.В. Нерпин і А.Ф. Чудновський, 1975; Є.Є. Жуковський, 1981; Р.О. Полуектов, 1991 та ін.). Усі три рівні взаємозв'язані, хоча й мають відносну самостійність. Тому для кожного рівня необхідно розробляти різні прогнозно-оптимізаційні моделі залежно від сформульованих цілей, обраних критеріїв оптимізації та структури розрахунків з їхньої реалізації.

Розглянутий клас задач з прийняття ТТР щодо часових рівнів відповідно потребує формування прогнозів ПМР різної завчасності. При цьому кліматичні (або погодні) умови як складова загального ПМР є визначальними. Завдяки властивості інерційності грунтів і посівів стосовно зміни метеофакторів у визначених допустимих межах, а також періодичній повторюваності погодних умов, можливо розробляти ті чи інші види прогнозу, незважаючи на досить сильну мінливість останніх як у багаторічному, так і внутрішньосезонному перерізі.

За розробленою нами схемою видів і структурою прогнозів ПМР стосовно рівнів прийняття ТТР у часі (рис.2) було визначено: перші два рівні - проекту та планової експлуатації МС - потребують їх на довготерміновій основі; третій рівень - оперативний режим управління системою - на короткотерміновій основі.

Таким чином, обгрунтування оптимальних ТТР на еколого-економічних засадах потребує створення єдиного комплексу ієрархічно зв'язаних моделей параметрів ефекту, режиму, технологій та конструкцій, а тому прогнозні режимні розрахунки за відповідними моделями є обов'язковою та невід'ємною складовою в структурі загальних інженерно-меліоративних розрахунків на всіх рівнях прийняття рішень у часі щодо реалізації гідромеліоративних заходів.

Отже змістом даної роботи є розробка відповідних методів розрахунку і моделей оптимізації для стадій проекту та планової експлуатації МС, які грунтуються на єдиному довготерміновому прогнозі природно-кліматичного і водного режимів осушуваних земель та їхніх складових.

2. Принципи оптимізації проектних технічних і технологічних рішень

з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах

Як показують практика і набутий досвід, розв'язати задачі оптимізації проектних ТТР з водорегулювання осушуваних земель наявними апробованими методами важко, перш за все, через невизначеність загальних критеріїв еколого-економічної ефективності ТТР, відсутність необхідних комплексних моделей оптимізації й відповідних імітаційних субмоделей прогнозної оцінки на довготерміновій основі ВР і ПМР осушуваних земель та їхнього впливу на формування врожаю вирощуваних сільськогосподарських культур і створюваний екологічний ефект з обов'язковим урахуванням мінливості кліматичних умов у часі.

Тому на підставі і в розвиток наявних методів розв'язання на практиці оптимізаційних задач при зрошенні та осушенні: оптимізаційного (К.П. Арент, Г.І.Афанасик, Є.П. Галямин, В.Н. Кардаш, П.І. Ковальчук, М.О. Лазарчук, А.П.Ліхацевич, І.В.Минаєв, Ю.М. Никольський, В.Г. Пряжинська, Л.М. Рекс, П.Б. Свикліс, К.І.Шавва, В.Ф.Шебеко, Б.Б. Шумаков та ін.); оптимізаційного з урахуванням байєсівського (С.А.Епстейн, Є.Є. Жуковський, Є.Я. Ранькова,   О.П. Федосеєв та ін.); еврістико-оптимізаційного (В.А. Платонов); імітаційної оптимізації (Л.М.Горєв, А.П. Власюк, І.П. Айдаров та ін.) – розв'язок проблеми оптимізації ТТР з водорегулювання осушуваних земель на еколого-економічних засадах може бути структурно представлений у вигляді знаходження раціональних (економічно доцільних та екологічно прийнятних) рішень при проектуванні та плановій експлуатації МС за комплексними моделями оптимізації через сукупність різнорідних (вартісних і фізичних) критеріїв.

Такі рішення, з одного боку, характеризують безпосередньо їхню економічну ефективність, що визначена за кількісною економіко-математичною моделлю (ЕММ), побудованої за апробованим оптимізаційним методом, а з іншого - екологічну прийнятність їхньої реалізації, визначену неявно через обгрунтовану сукупність фізичних показників (критеріїв) ВР і ПМР. Це дасть змогу з достатнім рівнем достовірності передбачити направленість процесів, які відбуваються на меліорованих територіях у часі під дією природних і меліоративних факторів.

При цьому обгрунтування ТТР на стадіях проекту та планової експлуатації МС може бути віднесене, за Є.Є Жуковським (1981), до класу задач, що передбачають необхідність застосування так званої кліматологічно оптимальної стратегії управління об'єктами щодо рівнів прийняття цих рішень у часі.

На стадії проекту нового будівництва чи реконструкції МС проектні ТТР приймаються тільки один раз і наступні корегування закладених в них стратегій управління об'єктом відповідно до зміни погодних умов вже неможливі або недоцільні. Через практичну неспроможність спрогнозувати реальний характер їхньої зміни в межах проектного терміну функціонування МС (30-50 років) така стратегія може бути реалізована наступним чином.

За комплексною моделлю оптимізації оптимальне проектне рішення в загальному вигляді може бути визначене як