Математические модели функционирования и развития водохозяйственных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 333.93.627.4

Таразский Государственный Университет им.м.Х.Дулати, г.Тараз

Математические модели функционирования и развития водохозяйственных систем

Доумчариева Ж.Е., Есеналиева М.К

Аннотации

математический водохозяйственный экономический моделирование

Статья посвящена научно-теоретическим и практическим аспектам математического моделирования сложной водохозяйственной системы. Рассматриваются различные математические схемы, применяемые при моделировании деятельности такой системы. Характеризуются особенности и общие свойства системы при решении некоторых экологических и экономических проблем.

Су шаруашылы? ж?йесін функциялы? ат?ару ж?не дамуыны? математикалы? моделдері

Доумчариева Ж.Е., Есеналиева М.К.

Ма?ала к?рделі су шаруашылы?ыны? ж?йесіндегі математикалы? модельдеудін ?ылыми-теориялы? ж?не практикалы? аспектілеріне арнал?ан. Осы ж?йені? ?ызметі? модельдеу кезе?де ?р т?рлі математикалы? ?лгілер ?арастырылады. Кейбір экологиялы? ж?не экономикалы? м?селелерді шешу ?шін ж?йені? ерекшіліктері мен негізгі ?асиеттері сипатталынады.

mathematical Models of function and development of water-economic systems

Doumcharieva Zh., Esenalieva M.

The article is devoted to science-theoretical and practical aspects of mathematical modelling in the complicated water-economical system. Considered are various mathematical schemes, which are applicating to modeling of this system. Characterised are the peculiarities and general properties of system when solving some ecological and economical problems.

Cовременный уровень научно-технико-технологического прогресса [1] и развития водного хозяйства аридной зоны, потребности построения оптимальных планов и проектных решений требуют использования методов математического моделирования и компьютерных информационных систем. При проектировании сложных водохозяйственных систем и их подсистем возникают многочисленные задачи, требующие оценки количественных и качественных закономерностей процессов функционирования таких систем, проведения структурного алгоритмического и параметрического их синтеза. При прогнозировании развития сложных водохозяйственных систем роль моделирования весьма высока и является единственной методологией по обозначению дальнейшей траектории эффективного развития систем.

Перспективным направлением является создание для целей моделирования информационных систем и сетей. В последнее время руководители водохозяйственных организаций отчетливо осознают важность применения корпоративной информационной системы как необходимого инструментария для успешного управления бизнесом в современных условиях. На востребованность информационных систем в корпорациях оказали приоритетное влияние следующие инновации: объектно-ориентированное программирование, клиент-серверная или многоуровневая архитектура, Интернет/интранет-технологии. В любой информационной системе можно выделить необходимые функциональные компоненты: PS (Presentation Services)- средства представления, PL (Presentation Logic)- логика представления, BL (Baseness of Application Logic)- прикладная логика, DL (Data Logic)- логика управления данными, DS (Data Services)- операции с базой данных, FL (File Services)- файловые операции.

Основной инструмент для анализа поведения и выбора дальнейших путей развития ВХС- разработка комплекса взаимосвязанных моделей, позволяющих оценить водные ресурсы, составляющие водохозяйственного баланса, определить оптимальную интенсивность использования водных ресурсов и разработать оптимальные варианты территориального перераспределения поверхностных вод. Взаимосвязанные функциональные подсистемы отвечают задачам крупнорегиональных ВХС и описываются системой математических моделей планирования развития ВХС.

Математическое моделирование для исследования характеристик процесса функционирования систем можно разделить на аналитическое, имитационное и комбинированное. Комбинированное (аналитико-имитационное) моделирование при анализе и синтезе систем позволяет объединить достоинства аналитического и имитационного моделирования.

Для 1-го класса задач используются непрерывно-стохастические (Q-схемы) и дискретно-стохастические (Р-схемы) модели; применяются методы решения задач стохастического программирования - градиентные методы, методы динамического и сепарабельного программирования, метод ветвей и границ, имитационные и сетевые методы. Задачи 2-го класса по протеканию во времени относятся к дискретно - стохастическим (Р-схемы) моделям. При решении задач 3-го класса применяются стохастические, детерминированные и эвристические методы стохастического программирования (Q-схемы и Р-схемы), а также балансовые, детерминированные, оценочные и имитационные методы (F-схемы, P-схемы, N-схемы). Если для реализации задач 4-го класса используются перечисленные методы стохастического программирования в сочетании с экспертными моделями, то для задач, 5-го класса преобладают дискретные модели (Д-схемы, Р-схемы) с использованием экспертных оценок [2].

Приведем модельные конструкции задач распределения водных ресурсов в речном бассейне. Динамическая модель водохозяйственного баланса имеет вид:

W^t_рч.ч +V^t+ W^t_в.рч.+ W^t_рч.рд.+ Q^t_ао= W^t_ot.ч+E^t_ч+Z^t_ч+ W^t_ч.podW^t_ч.,

где W_рч.ч- приток воды по руслу реки, V - приток возвратных вод в русло; W_в.рч.- сток боковых притоков, впадающих в русло; W_рч.рд - приток подземных и грунтовых вод в русло; Q_ао - атмосферные осадки на водную поверхность; W_ot.ч - отток воды по руслу реки; E_ч - испарение с водной поверхности; Z_ч - водозабор из русла реки; W_ч.pod - отток воды из русла реки нижележащие слои; W_ч.- изменение запасов воды в русле; t-время. Аналогично составляются водно-солевой баланс русла реки, водный и водно-солевой балансы поверхностных вод, водный и водно-солевой балансы зоны аэрации, водный и водно-солевой балансы грунтовых вод, водный и водно-солевой балансы подземных вод. В водно-солевых балансах у их состовляющих появляются коэффициенты минерализации воды. Управления позволяют оценить изменения, происходящие в природном комплексе под воздействием водохозяйственной деятельности человека.

Потоковая модель распределения водных ресурсов речного бассейна сводится к максимизации

при ограничениях

Vmin_k

где - объем водоподачи из i-го водоисточника к j-му водопотребителю, - мощность i-го водоисточника, - спрос на воду j-го водопотребителя, - огреничения на пропускную способность, - сработка водохранилищ, - наполнение водохранилищ [3].

Весьма важной представляется разработка экономико-математической модели орошаемого земледелия, которая отражает связи как между природно-климатическими и агротехническими характеристиками, так и между технико-экономическими и экологическими показателями орошаемых земель. Учитывая стохастический характер исходной информации, задачу сформулируем в стохастической постановке; остальным принципом планирования орошения выступает принцип двухэтапности. План первого этапа-структура орошаемых площадей, план второго этапа - схема использования этих площадей при различной водности источника орошения. Планы обоих этапов должны быть согласованы так, чтобы обеспечить в среднем минимум суммарных издержек. Система ограничений учитывает располагаемые водные ресурсы бассейна, привлекаемые водные ресурсы извне бассейна, затраты трудовых ресурсов, баланс ресурсов удобрений, капиталовложения, производство конечной продукции растениеводства и животноводства, кормопроизводство; ставятся ограничения на площади существующих орошаемых земель и подготовленных к реконструкции, перспективных орошаемых и богарных земель. Общая математическая постановка задачи двухэтапного стохастического программирования такова: требуется определить

при условиях

В настоящее время при разработке обеспечивающих и функциональных подсистем КИС широко применяется метод машинного моделирования.

Применительно КИС - ВХ для современных информационных технологий характерны следующие черты [4]:

- реализация информационных технологий решения задач водного хозяйства как в среде автономного использования компьютеров, так и в среде компьютерных сетей;

- дружественный пользовательский интерфейс, использующий меню, подсказки, возврат к предыдущим действиям и т.д.

- ведение единой информационной базы и организация доступа к ней заинтересованных пользователей;

- активное участие конечных пользователей в информационном процессе на компьютерных рабочих местах;

- интерактивный режим работы при функционировании системы и с выходными документами;

- интегрированность разных программных комплексов при реализации комплекса задач;

- автоматизация формирования первичных документов;

- перенастройка форм и способов представления информации;

- коллективная работа над документами в среде компьютерных сетей;

- адаптированность унифицированных систем к конкретным условиям их применения.

В южных районах Казахстана особенно эффективно искусственное орошение; его роль и значение возрастают при ведении земледелия с использованием достижений науки и техники, высокой агротехники и инновационных технологий на инженерных мелиоративных системах с элементами автоматизации и компьютеризации.

Водные ресурсы Казахстана по бассейнам рек исследованы достаточно подробно; однако территория республики расположена в основном на нижних течениях рек. Ввиду этого количество воды, поступающей из сопредельных территорий, постепенно сокращается; возникают проблемы прогноза объема речного стока на перспективу. Анализ показывает, что водные ресурсы, поступающие на территорию Казахстана по трансграничным рекам, имеют ярко выраженную тенденцию к уменьшению (таблица 1). Сокращение водных ресурсов сопровождается нарастанием загрязнения водных источников.

Таблица 1 - Ресурсы речного стока (км3) и уровень загрязнения воды в Шу-Таласском водохозяйственном районе ( расчеты КазНИИВХ )

На перспективу в соответствии с Концепцией экологической безопасности в РК надо применять следующие мероприятия: на 1 этапе, до 2017 г. не допускать возрастания объемов водопотребления и ухудшения качества воды; на 2 этапе, до 2020 г. - уровень загрязнения сократить на 50%; на 3 этапе, до 2025 г.- качество воды в источниках должно отвечать нормативам. Для обеспечения потребностей в воде отраслей экономики и сохранения природных комплексов необходимо разработать долгосрочное межгосударст-венное соглашение по рациональному использованию и охране водных ресурсов, снизить удельные нормы водопотребления в отраслях экономики, внедрить кормовые севообороты, развивать прудовое хозяйство и неводоемкие отрасли и т.п.. Именно инновационные технологии (включая эколого-экономическое моделирование) орошаемого земледелия и водного хозяйства, призваны решить возникшие производственно-экономические, технико-эксплуатационные и социально-экологические проблемы.

Анализ использования водных ресурсов и экологического состояния по бассейнам основных рек Казахстана позволяет выявить основные проблемы, практическое решение которых связано с экономическим и социальным развитием, и оценить устойчивость природных комплексов (рисунок 1).

На современном этапе инновационного развития необходимо разработать Генеральную схему использования природных ресурсов РК, включая водные и земельные ресурсы, на далекую перспективу с учетом задач Программы развития РК до 2030 года [5]. Эта схема лолжна содержать комплексные программы экономического и социального развития регионов , которая должна дать прогнозы развития экономических районов на основе рассмотрения различных сценариев развития отраслей и целевых установок программы развития лдо 2030 года и их водообеспечения.

Рисунок 1 - Имеющиеся и необходимые объемы водных ресурсов

ВР-имеющиеся водные ресурсы, ВП-водопотребление, ЭП-экологические попуски, ПС-переброска стока; НОВР-необходимые объемы водных ресурсов; ВР- водохозяйственные районы: 1-Западный (Урало- Эмбинский ), 2-Северный (Тоболо-Есильский), 3-Восточный (Ертысский), 4-Центральный (Нура-Тенизский), 5-Юго-восточный (Балхаш-Алакольский), 6-Южный (Арало-Сырдарьинский)

Необходимая расходная часть превышает имеющиеся водные ресурсы на 16,1 км3; при этом состояние природных комплексов всех водохозяйственных районов характеризуется как неустойчивое. В качестве основных проблем выступают загрязнение, сохранение ценных пород рыб, дефицит стока, водоснабжение г.Астана, вододеление, сохранение природных заповедников, проблемы озера Балхаш, проблемы Аральского моря. Комплекс инновационных мероприятий должен быть направлен на повышение водообеспечения отраслей экономики Казахстана при достижении устойчивого состояния природных комплексов.

Литература

1. Стратегия индустриально-инновационного развития РК на годы.2015-2019 - Астана, 2014.

2. Советов Б.Я.,.Яковлев С.А. Моделирование систем. - М.: Высшая школа, 2001, стр. 46-85

3. Математическое моделирование в управлении водными ресурсами / Пряжинская В.Г., Рикун А.Д., Шнайдман В.М. и др. - М.: Наука, 1988, 247 с.

4. Петров В.Н. Информационные системы. - Санкт-Петербург, ПИТЕР, 2002, стр. 27-31

Размещено на Allbest.ru