CC BY
81
УДК 628
университета водных коммуникаций
Ю. З. Яхина,
ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга»
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ ВОДООТВЕДЕНИЯ
MAIN PRINCIPLES OF MODELLING AND OPTIMISATION OF SYSTEMS
OF WATER REMOVAL
В статье рассмотрены предложения по разработке методики оптимизации системы водоотведе-ния населенного пункта на основе положений теории систем.
The article presents proposals of elaboration of methodology for optimization the sewerage system on the basis of the theory of systems.
Ключевые слова: система водоотведения, сложные системы, последовательность анализа систем, моделирование, методы решения моделей, предотвращенный экологический ущерб, расчет экономического ущерба
Key words: the sewerage system, complex systems, sequence analysis of systems, modeling, methods for solving models, prevent environmental damage, economic damage calculation
ЕСПЕРЕБОИНОСТЬ и надежность работы канализации во многом определяет эпидемиологическое и санитарно-гигиеническое благополучие как городского, так и сельского населения. Постоянное увеличение водопотребления, характерное для настоящего времени, приводит к тому, что зачастую городские системы водоотведе-ния и очистки стоков работают в предельных режимах, как по пропускной способности, так и по мощности очистных сооружений. Неоптимальная эксплуатация и значительные нагрузки зачастую приводят к авариям на таких объектах, что наносит большой ущерб, как с точки зрения экологии, так и экономики, причем последствия могут ощущаться в течение длительного времени.
К сожалению, в настоящее время во многих городах наблюдается отставание интенсивности ввода в эксплуатацию новых систем водоотведения (СВО) от темпов роста жилой и промышленной застройки. С другой стороны, уже существующие участки и сооружения СВО постепенно стареют и требуют различных профилактических мероприятий, для того чтобы справляться с возрастающей нагрузкой. Таким образом, поиск оптимальных стратегий управления системой транспортировки сточных вод (СТСВ) становится жизненно необходимой задачей для обеспече-
ния стабильного функционирования любого мегаполиса.
В идеале эксплуатация любой СВО должна осуществляться оптимально с технической, экономической и экологической точек зрения одновременно. Главной задачей на сегодня является разработка такой методики оптимизации СТСВ, с помощью которой будет обеспечиваться наиболее оптимальная работа этой системы в заданных условиях.
Прежде всего необходимо отметить, что СТСВ является полноценной системой с точки зрения теории систем, так как имеет основные свойства системы:
— Целостность — разветвленная СТСВ представляет собой сеть конструктивно и технологически взаимосвязанных подземных сооружений и канализационных насосных станций, предназначенную для сбора и отведения сточных вод населенного пункта к очистным сооружениям, имеющая гидравлические связи между отдельными бассейнами канализова-ния. С одной стороны, СТСВ — единое целое, с другой — в ее составе могут быть выделены целостные объекты (элементы).
— Связи — связь можно определить как физический канал обмена между элементами системы веществом, энергией и информацией. СТСВ характеризуется наличием устойчивых связей между элементами.
— Организация — наличие определенной структуры [3].
Кроме того, СТСВ обладает всеми характерными классификационными признаками «большой» или «сложной» системы:
— большое число элементов в системе (количественная сложность);
— взаимосвязь и взаимодействие между элементами (качественная сложность);
— иерархичность структуры управления;
— наличие в контуре управления человека, на которого возлагается часть наиболее ответственных функций управления [3].
Таким образом, при анализе СТСВ могут быть применены основные способы и методы системного анализа. В связи с этим можно применить стандартную последовательность анализа систем:
— постановка задачи (формулировка существа проблемы, определение границ исследования, исходные данные и формулировка целей);
— рассмотрение альтернативных путей решения задачи (перечисление тех альтернатив, которые по предварительным соображениям могут быть использованы для решения поставленной задачи. В процессе исследования происходит отсев некоторых альтернатив и включение новых);
— исследование ресурсов, расходуемых на решение задачи (представляет собой важный этап экономических исследований, на котором определяются материальные ресурсы, а также их стоимостные выражения, необходимые для решения задачи);
— составление математической модели (в частности, эколого-математической модели для СТСВ);
— выбор критериев оптимизации (заключается в обосновании такой величины (системы величин), по численному значению которой можно судить об успешности решения задачи. Важнейшим является критерий, выражающий соотношение стоимости и эффективности системы);
— сравнение альтернатив и принятие решения.
Для СТСВ при проведении оптимизационных мероприятий строятся следующие модели:
// университета
[ЖУРНАЛ водных /_/ коммуникации
— Гидравлическая модель, основанная на гидравлическом расчете СВО.
— Химическая модель, основанная на расчетах смешения, позволяющая рассмотреть, какие химические соединения образуются в стоках после их смешивания в коллекторах.
— Экологическая модель, предназначенная для анализа влияния очищенных сточных вод на водный объект — приемник сточных вод, основанная на расчетах разбавления.
— Основными методами решения эко-лого-математических моделей являются следующие:
— Аналитические методы — помимо точного значения искомых переменных могут давать оптимальное решение в виде готовой формулы, куда входят характеристики внешней среды и начальные условия, которые исследователь может менять в широких пределах, не меняя самой формулы.
— Исследования при помощи численных методов — дают возможность получить решение путем многократного вычисления по определенному алгоритму, реализующему тот или иной численный метод. В качестве исходных данных для вычислений используются числовые значения параметров объекта, внешней среды и начальных условий. Численные методы являются итеративными процедурами: для проведения следующего шага расчетов (при новом значении управляемых переменных) используются результаты предыдущих расчетов, что позволяет получать в процессе вычислений улучшенные результаты и тем самым находить оптимальное решение.
— Исследование алгоритмических моделей с помощью методов экспериментальной оптимизации на ЭВМ — при использовании этих методов производится пошаговое приближение к оптимальному решению на основе результатов расчета по алгоритму, моделирующему работу исследуемой системы. Методы базируются на принципах поиска оптимальных решений в численных методах, но, в отличие от них, все действия по разработке алгоритма и программы оптимизации выполняет разработчик модели [1].
На заключительном этапе анализа системы одним из важнейших факторов, влия-
II университета
'ЖУРНАЛ водных / / коммуникации
ющих на итоговое решение, является экономический расчет, т. е. расчет стоимости всех возможных преобразований СТСВ, немаловажную долю в которых займет расчет эко-лого-экономического ущерба, причиняемого окружающей среде сбросом сточных вод, как первичного, так и вторичного, превышающе -го порой первичный.
Существуют два методологических подхода к определению экономического ущерба:
— прямой счет;
— косвенная оценка.
Прямой счет — экономический ущерб определяется для конкретного объекта исследования путем суммирования различных составляющих потерь, выраженных в денежной форме, на основе объективных методов их выявления.
Косвенная оценка основана на принципе перенесения на конкретный исследуемый объект общих закономерностей и предполагает использование системы нормативных показателей, фиксирующих зависимость негативных последствий от основных ущербо-образующих факторов. В связи с этим метод более применим к негативным процессам, имеющий массовый характер [2].
Однако необходимо помнить, что многие процессы загрязнения очень неопреде -
ленны по своим экологическим последствиям ввиду длительности воздействия на природные объекты, и какая-либо экономическая оценка этих последствий невозможна.
Подводя итог вышесказанному, следует отметить, что в качестве математической основы для построения методики эколого-эко-номической оптимизации наиболее целесообразно применить метод группового учета аргументов и метод построения дерева решений. Его неоспоримое преимущество перед остальными методами заключается в том, что при проведении расчетов можно проследить не только взаимное влияние каждого компонента системы друг на друга, но и, в конечном итоге, влияние его на результат.
К сожалению, полное исключение всех загрязняющих веществ на сегодняшний день невозможно и реальна только ситуация с сокращением уровня загрязнения. При этом принято считать, что основной упор должен быть сделан на поиск новых «безотходных» технологий и методов очистки воды. Поддерживая этот подход, отметим, что улучшения экологической ситуации можно добиться и в рамках существующих технологий — за счет более рациональной организации водопользования, в частности систем транспортировки сточных вод.
Список литературы
1. Зубрилов С. П., Алексеев С. А. Оптимизация водохозяйственных комплексов. — СПб.: СПГУВК, 2003.
2. Рюмина Е. В. Анализ эколого-экономических взаимодействий. — М.: Наука, 2000.
3. Сложные системы: моделирование и оптимизация / под ред. А. В. Язенина. — Тверь: ТвГУ,
2001.
