CC BY
25
ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ
УДК 626.01
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ БЕСХОЗЯЙНЫХ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ
© 2008 г. М.Ю. Косиченко
Выделены основные варианты использования бесхозяйного гидротехнического сооружения. Предложены целевая функция и ограничения для расчёта затрат на бесхозяйные пруды. Выполнен компьютерный расчёт оптимального варианта на примере условного сооружения, для которого установлено, что минимум целевой функции даёт его реконструкция.
The basic variants of use of an ownerless hydraulic engineering construction are allocated. Are offered criterion function and restrictions for calculation of expenses for ownerless ponds. Computer calculation of an optimum variant on an example of a conditional construction is executed, for which it is established, that the minimum of criterion function is given with its reconstruction.
Ключевые слова: бесхозяйные гидротехнические сооружения, компьютерный расчет оптимального варианта.
Большинство существующих искусственных водоемов малого объема (до 10 млн м3), которых насчитывается на территории Российской Федерации около 28 тыс. объектов, в настоящее время находятся в разных формах собственности, а значительная их часть утратила собственника по различным причинам и оказалась бесхозяйной.
Построенные пруды и малые водохранилища создавались в 60-70-е годы прошлого столетия для целей водоснабжения, орошения, рекреации и находились в собственности местных сельскохозяйственных предприятий. Однако с 1991 г. в связи с переходом на новые экономические условия орошение из прудов прекратилось. Многие сельскохозяйственные предприятия реорганизовались или обанкротились, а пруды оказались бесхозяйными. Тем не менее в последующие годы пруды и малые водохранилища стали использоваться по новому назначению: для водопоя, рыборазведения, борьбы с эрозией, противопаводковой роли, пожаротушения и др. При этом часть прудов в связи с ухудшающимся их техническим состоянием, отсутствием ремонта и ухода, аварийным состоянием плотины или водосброса стали представлять реальную угрозу жизни, здоровью и законным интересам населения, попадающего в зону затопления в случае прорыва напорного фронта гидроузла, а также окружающей среде и хозяйственным объектам.
Введение с 2007 г. нового Водного Кодекса РФ [1] привело к существенному снижению количества бесхозяйных гидротехнических сооружений (ГТС), так как значительное их количество перешло в собственность физических и юридических лиц, а также муниципальных образований.
Обоснование решения об их сохранении или ликвидации должно проводиться на основании технической, экономической и экологической оценки работ,
связанных не только с водоподпорными сооружениями и чашей водохранилища, но и в случае ликвидации с компенсационными мероприятиями в смежных областях хозяйства и в социальной сфере [2-4].
При решении вопроса о целесообразности дальнейшего использования или ликвидации ГТС должны учитываться следующие общие принципы:
- социальная необходимость в эксплуатации гидротехнического сооружения;
- экологическая приемлемость дальнейшей эксплуатации гидротехнического сооружения;
- уровень безопасности гидротехнического сооружения и вероятность развития чрезвычайной ситуации;
- экономическая оценка прибылей от использования, ущербов от возможной аварии, затрат на ремонт, дальнейшую эксплуатацию или ликвидацию, рекультивацию ложа пруда или водохранилища.
Основными предпосылками к постановке вопроса о выводе гидротехнического сооружения из эксплуатации и дальнейшей его ликвидации являются:
- отсутствие необходимости хозяйственного использования и утрата собственника гидротехнического сооружения;
- снижение уровня безопасности гидротехнического сооружения до опасного с угрозой прорыва плотины и затопления населённых пунктов и сельскохозяйственных территорий;
- обременительная убыточность дальнейшей эксплуатации гидротехнического сооружения, когда затраты на ремонт и дальнейшую эксплуатацию превышают затраты на ликвидацию гидротехнического сооружения и рекультивацию зоны влияния.
В настоящее время активно занимаются проблемами безопасности ГТС (в том числе методами информатики) ВНИИГ, МГУП, НГМА, ВНИИГиМ, Гидропроект [3, 5-7] и др.
В основном бесхозяйные ГТС представляют собой пруд с плотиной и водосбросом, которые могут находиться в аварийном состоянии и угрожать находящимся поблизости объектам (людям, животным, посевам, строениям). Перелив воды через гребень плотины может привести к затоплению огромной территории, а другие аварии могут повлечь за собой засоление почвы, подтопление грунтовыми водами, ухудшение экологического состояния окружающей среды, лишение окружающего населения источника водоснабжения и т.д.
Поэтому актуальным вопросом является построение компьютерной модели бесхозяйных ГТС и их системного окружения для расчёта параметров такой модели с помощью компьютерных программ и для принятия решения об инвестициях в ремонт ГТС или о его ликвидации.
Можно выделить следующие варианты дальнейшего функционирования бесхозяйных ГТС:
1. Современный уровень эксплуатации без ремонта, не отвечающий требованиям безопасности;
2. Текущий ремонт плотины с сохранением эксплуатационных параметров и уменьшением риска аварии;
3. Капитальный ремонт плотины с существенным уменьшением риска аварии;
4. Реконструкция плотины и водосброса с уменьшением риска аварии до нормативного;
5. Ликвидация ГТС.
Причём в каждом случае затраты на сооружение могут существенно отличаться. Поэтому для построения модели ГТС должен проводиться выбор оптимального варианта [8], при котором затраты на ремонт, эксплуатацию или ликвидацию должны быть минимальными. Отсюда целевая функция затрат на ГТС имеет вид:
CF = £ [a t (Z - R + U) + S]
^ min,
(1)
где Z = ЕнК + С - вложения (приведённые затраты) в ГТС; К - капитальные затраты на ГТС; С - текущие затраты на ГТС; Ен - нормативный коэффициент эффективности; и = Хи тах - ущерб, вызванный аварией ГТС
от затопления населённых пунктов и сельхозугодий; X -риск (вероятность) аварии ГТС; итах - возможный максимальный ущерб от аварии; R - возможная прибыль от использования ГТС; - компенсация потребителям при ликвидации ГТС; аг - приведённый коэффициент затрат (коэффициент дисконтирования), зависящий от года /; ^ - срок службы ГТС (расчётный период).
Вложения в ГТС складываются из:
1) текущих затрат на эксплуатацию и ремонт ГТС;
2) капитальных затрат на эксплуатацию, ремонт и ликвидацию ГТС;
Прибыль от ГТС складывается в основном от его использования для целей орошения, водоснабжения, рекреации, водопоя скота, рыборазведения.
В указанной экономико-математической модели, основанной на целевой функции (1), примем следующие условия:
а) минимизация приведенных затрат на ремонт и эксплуатацию плотины и водосброса: Z ^ min ;
б) минимизация компенсаций водопользователям при ликвидации ГТС: S ^ min ;
в) минимизация рисков разрушения грунтовой плотины и водосброса: X ^ min ;
г) получение максимальной прибыли от использования водных ресурсов пруда (водохранилища) всеми водопользователями: R ^ max .
Для реализации экономико-математической модели в компьютерной программе используются следующие ограничения:
- для эксплуатационных затрат на ГТС Сэкс:
0 < Сэкс < 0,02 Сбал ,
- для затрат на текущий ремонт плотины Сш:
0,02 СбаЛпл < Спл < 0,20 СбаЛпл ;
- для затрат на капитальный ремонт плотины Кпл:
0,20 Сбалпл < Кпл < 0,50 Сбалпл ;
- для капитальных затрат на реконструкцию плотины Крпл: 0,50 Сбалпл < крпл < Сбалш ;
- для затрат на ликвидацию ГТС Кликв:
0,20 Сбал < Кликв < Сбал ,
причём для вариантов дальнейшего использования ГТС Кликв = 0;
- для компенсационных выплат всем водопользователям при ликвидации ГТС: 0 < S < 0,30 Сбал ;
- для прибылей от использования водных ресурсов пруда (водохранилища) водопользователями:
0 < R < 0,50 Сбал ;
- для рисков разрушения грунтовой плотины и водосброса: 5-10"3 < Х< 1,0 ;
- для ущербов, вызванных аварией ГТС:
0 < U < Сбал ,
где Сбал = Сбалпл + Сбалвс - балансовая стоимость всего ГТС; Сбал - балансовая стоимость плотины; Сбал -
пл вс
балансовая стоимость водосброса.
Риск аварии грунтовой плотины и водосброса при переливе через гребень рассчитывается по методике, изложенной в [5], а при нарушении фильтрационной безопасности - по методике, изложенной в [9].
Реализация разработанной модели ГТС как объекта проведения оценки целесообразности использования или ликвидации ГТС путем выбора оптимального варианта наиболее эффективна при расчете большого количества вариантов, отвечающих определенным условиям и ограничениям.
Рассмотрим расчет для пяти основных вариантов и более 100 подвариантов с фиксированными значениями задаваемых величин. В связи с этим для выполнения расчётов с помощью персонального компьютера была использована система математических вычислений Mathcad.
Согласно структуре вероятностно-экономического анализа на рис. 1 общая схема компьютерного моделирования включает: ввод исходных данных с параметрами пруда (водохранилища), плотины, водосброса, данные о водопользователях и экономические показатели объекта - балансовая стоимость всего сооружения, плотины и водосброса.
Вариант 1 Эксплуатация ГТС
Расчёт прибылей от водопользования
Расчёт вероятных рисков разрушений плотины
Вариант 2 Текущий ремонт
Расчёт приведённых затрат
Исходные данные
Вариант 3 Капитальный ремонт
Вариант 4 Реконструкция
Задаётся общий нормативный риск
Вариант 5 Ликвидация ГТС
Расчёт затрат на ликвидацию
Расчёт компенсационных
выплат водопользователям
Расчёт ущербов
Выбор оптимального варианта (минимизация целевой функции)
Рис. 1. Структурная схема вероятностно-экономического анализа выбора оптимального варианта дальнейшего использования или ликвидации ГТС
Расчет проводится по пяти основным вариантам: современный уровень эксплуатации без собственника и без ремонта, проведение ремонта (текущего, капитального) и реконструкции ГТС с доведением риска аварии грунтовой плотины до нормативного уровня, а также ликвидация ГТС.
В пределах каждого из пяти основных вариантов рассматривается от 7 до 36 подвариантов с различным уровнем надежности ГТС, различными величинами затрат на текущий и капитальный ремонт, затрат на реконструкцию и ликвидацию сооружения. Принятое значительное количество расчетных подвариантов в общей модели (более 100 подвариантов) обусловлено необходимостью более детального разбиения для определения оптимального варианта при отработке модели.
Для каждого из подвариантов в компьютерной модели определяются составляющие целевой функции: приведенные затраты Z, прибыли от использования воды для всех водопользователей R, вероятные риски разрушений плотины X, ущербы от затопления U и компенсационные выплаты водопользователям 5". Окончательный выбор оптимального варианта производится на основе минимизации целевой функции CF.
Расчет рисков разрушений грунтовой плотины по трем основным вероятным сценариям аварийных ситуаций: перелив через гребень от волновых и нагонных явлений; перелив через гребень от паводка,
превышающего расчетный, и разрушение плотины от фильтрационных процессов - проводится в составе общей программы по трем отдельным подпрограммам, разработанным автором. В соответствии с общей структурной схемой вероятностно-экономического анализа выбора оптимального варианта дальнейшего использования ГТС была составлена компьютерная программа в системе математических вычислений Mathcad, где все затраты, прибыли и ущербы рассчитывались за весь жизненный цикл пруда (водохранилища) и приводились к одному расчетному году.
Общие исходные данные для условного объекта -пруда (водохранилища) приведены в качестве примера задания на рис. 2. Алгоритм последовательности расчёта приведён на рис. 3.
Сводные результаты расчетов даны в таблице.
Анализ сводных результатов расчета показывает, что несмотря на наиболее высокие приведенные затраты по варианту 4 (реконструкция плотины и водосброса), данный вариант характеризуется минимумом целевой функции, а следовательно, является оптимальным. Близко к оптимальному варианту находится и вариант 3 (капитальный ремонт плотины и водосброса), где целевая функция составила 24,8 млн руб. против 16,7 млн руб. для оптимального варианта. Все остальные варианты значительно уступают оптимальному и соответственно могут считаться заведомо невыгодными.
Сводные результаты расчетов при вероятностно-экономическом анализе вариантов модели ГТС
№ варианта Содержание варианта Суммарные приведенные затраты 2, млн руб. Суммарные прибыли или компенсации К (5), млн руб. Риски аварии грунтовой плотины при Суммарный ущерб от затопления и, млн руб. Целевая функция модели ГТС CF, млн руб. Место варианта по минимуму целевой функции
7« о и к 4 о я <и к 5 й к 7 п S << <и и « о я й к W о и г, s S я й £ л
1 Современный уровень эксплуатации без ремонта 0,0 1,401 0,478 4,3 • 10-3 1,4 •Ю-3 51,97 2811,0 5
2 Частичный (текущий) ремонт плотины и водосброса 1,125 1,401 0,102 4,3 • 10-3 1,4 •Ю-3 5,81 307,6 4
3 Капитальный ремонт плотины и водосброса 1,75 1,401 0,013 4,3 • 10-3 1,4 •Ю-3 0.097 24,8 2
4 Реконструкция плотины и водосброса 3,3 3,001 5 • 10-3 5 • 10-3 5 • 10-3 0,0026 16,7 1
5 Ликвидация ГТС 2,2 0,262* - - - 0,0 132,8 3
Примечание. * Компенсации потребителям.
Однако при уточнении численных значений приведенных затрат, прибылей, убытков и компенсаций для реальных объектов возможен выбор в качестве оптимального любого варианта ГТС, в том числе варианта ликвидации или варианта эксплуатации ГТС без ремонта.
В конечном итоге определение оптимального варианта зависит от соотношения затрат, прибылей и ущербов.
Модель ГТС
0 Исходные данные (обиц^е) Начальный индекс массивов Количество суток в году Базисный год приведения затрат Срок службы ГТС Глубина воды в верхнем бьефе Коэффициент заложения верхового откоса Площадь орошения
Количество человек, проживающих в окрестности ГТС Коэффициент повышения выплат на компенсацию Нормативный коэффициент капитальных вложений Нормативный коэффициент приведения
Нормативное значение риска разрушения плотины IV класса Норма водоснабжения на 1 человека Прибыль от орошения 1 гектара
Прибыль от использования 1 м3 воды на водоснабжение Прибыль от рекреации на 1 человека
Дополнительная прибыль после реконструкции
Ущерб от затопления 1 гектара сельскохозяйственных угодий
Стоимость жилья для 1 человека
Балансовая стоимость плотины Балансовая стоимость водосброса Н Исходные данные (обише^_
:= 20 , := 40
НЧ6П:= 1000 ^ыпп:= 12
qBC:=0.15
Vl.ra:= 9(572
^с.Гкубм:= 22
= 46700
Рис. 2. Общие исходные данные для расчёта модели ГТС Рис. 3. Последовательность расчёта модели ГТС
Выводы
1. Можно выделить 5 основных вариантов использования бесхозяйного ГТС: эксплуатация, текущий ремонт, капитальный ремонт, реконструкция, ликвидация.
2. Затраты на бесхозяйные ГТС зависят от вложений, прибылей, ущербов, а также от компенсации потребителям при ликвидации ГТС.
3. При компьютерном расчёте оптимального варианта для рассмотренного условного ГТС наименьшие затраты даёт реконструкция ГТС.
Литература
1. Водный кодекс Российской Федерации: Новая редакция. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007.
2. Мирцхулава Ц.Е. Возможные подходы для принятия
решения о продолжении эксплуатации гидротехнических
сооружений в условиях риска // Гидротехническое строительство. 2006, № 6. С. 36-44.
3. Методы и технологии комплексной мелиорации и экоси-стемного водопользования / Под ред. Б.М. Кизяева. М., 2006.
4. Каганов Г.М, Павлов Ю.П., Павлов М.Ю. Состояние гидротехнических сооружений водохозяйственных объектов Московской области // Гидротехническое строительство. 2002, № 11. С. 2-5.
5. ВайнбергА.Н. Оценка риска перелива воды через гребень
плотины из грунтовых материалов методом статических испытаний // Изв. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2007. Т. 246. С. 121-127.
6. Волков В.И. Оценка безопасности гидротехнических
сооружений средствами информатики. М., 2004.
7. Волосухин В.А., Бондаренко В.Л., Свистунов Ю.А. Безопасность гидротехнических сооружений: Учеб. пособие. Краснодар, 2001.
8. Щавелев Д.С., Губин М.Ф., Куперман В.Л., Федоров М.П. Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства. М., 1986.
9. Косиченко Ю.М., Белов В.А., Косиченко М.Ю. Оценка уровня фильтрационной безопасности земляных плотин и эффективности инженерной защиты малых водохранилищ. Новочеркасск, 2001.
26 мая 2008 г.
Косиченко Михаил Юрьевич - канд. техн. наук, доцент Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). Тел. (86352) 2-10-68. E-mail: [email protected].
