В работе представлен курс лекций и учебное пособие для выполнения практического задания. Материал лекционного курса изложен в соответствии с рабочими программами дисциплин, снабжен словарем используемых терминов, иллюстрирован таблицами, рисунками и расчетными примерами. В учебном пособии для выполнения практического задания рассматриваются вопросы обоснования решений по выбору параметров водохозяйственной системы комплексного назначения и водораспределения между ГЭС и орошением на основе оптимизационных расчетов. Состав работы определяется необходимостью постановки и решения одно и многокритериальных оптимизационных задач. Учебное пособие построено таким образом, чтобы иметь возможность выполнять курсовые и выпускные квалификационные работы, а также проводить промежуточную проверку знаний студентов. Предусмотрена возможность использования пособия для выполнения расчетно-графических работ. Учебное пособие позволяет решать оптимизационные вопросы на основе исходных данных конкретного объекта и задания их по вариантам.

• ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС УПРАВЛЕНИЕ
• ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ СИСТЕМАМИ
• Термины и определения
• 5. Моделирование − это создание образа реального объекта, заменяющего его для получения информации, путем проведения экспериментов.
  • 11. Стратегия управления − долговременное и качественно определенное направление деятельности в соответствии с поставленной целью.
• 1. Цель, задачи и стратегия управления
• водными ресурсами
  • Установление целей управления предполагает прохождение следующих этапов:
  • 1) определение частных задач (например, в бассейне реки отмечаются: перебои с подачей воды для целей промышленности; весной с высокой вероятностью происходит затопление земель; качество воды в реке неудовлетворительное);
  • 2) выявление приоритетности частных задач (например, перебои водоснабжения промышленности незначительные и не приводят к существенному снижению экономических показателей. Затопление земель происходит на площадях, где нет групповых поселений. Таким обр...
  • 3) выявление общих задач, которые и представляют собой общие цели (в рассматриваемом примере общая задача – улучшение качества речной воды);
  • 4) разработка частных задач для достижения поставленных целей (например, для улучшения качества воды водных объектов определяются источники загрязнения, их вклад в загрязнение реки и разрабатываются водоохранные мероприятия).
  • На рассмотренных этапах используются разные методы и способы, которые позволяют определить стратегию управления.
  • Стратегия управления − долговременное и качественно определенное направление деятельности в соответствии с поставленной целью. Стратегия позволяет сконцентрировать усилия на тех вариантах решения, которые лучшем образом отвечают принятой цели. Выделяю...
• 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ
• 3. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
• В УПРАВЛЕНИИ ВХС
• Рисунок 3.1 − Прогноз изменения уровней воды во время половодья
• и его корректировка на основе накапливаемых данных 4. КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ
• МОДЕЛЕЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В УПРАВЛЕНИИ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ
• Моделирование − это создание образа реального объекта, заменяющего его для получения информации, путем проведения экспериментов. Таким образом, модель создается с целью получения информации о специфическом объекте (например, в виде физического макета,...
• К моделям предъявляется ряд требований.
• 1. Максимальное соответствие реальному объекту, с точки зрения выбранных для изучения свойств (например, рассматривается водохозяйственная система и требуется оценка эффективности водоохранных мероприятий по снижению загрязненности сточных вод. Для эт...
• 2. Модель должна быть полной, т. е. давать возможность исследовать объект, в отношении его свойств, принципов работы, поведения в заданных условиях. Например, на основе водохозяйственного баланса создается модель водохозяйственного комплекса, которая ...
• целевая функция
• ВХБ = Wр + Wпв + Wвв( W ( Wущ ( Wпоп (4.1)
• ограничения Wр ( Wрр% W ( Wплан Wпв ( W
• ВХБ + Wпоп ( Wэкол ВХБ ( 0.
• Учитывая, что Wпв полностью включено в объемах W и по арифметическим законам может сократиться, перепишем уравнение баланса в виде:
• ВХБ = Wр + Wвв ( W( ( Wущ ( Wпоп. (4.2)
• W( = W ( Wпв (4.3)
• В таком виде модель не может считаться полной, так как не отражает, в полной мере, все используемые источники воды.
• Модели классифицируются по способу, характеру и масштабам моделирования.
• По способу моделирования различают модели:
•  детерминированные, в которых все элементы объекта моделирования четко определены. Например, модель изменения концентрации (С) загрязняющего вещества в воде на участке реки (рисунок 4.1) под влиянием сосредоточенного сброса сточных вод объемом Wвв с ...
• Рисунок 4.1 − Расчетная схема для моделирования изменения
• загрязненности участка реки
• (4.6)
• (4.7)
• k ( [0…0,25км(1] − коэффициент самоочищения воды;
•  вероятностные, которые включают в элементы имеющие вероятностный характер. Например, изменение во времени объемов речного стока описывается вероятностной зависимостью трехпараметрического гамма распределения, которая позволяет определять объемы сток...
• По характеру модели делятся:
•  имитационные;
•  прогнозные.
• Имитационные модели отвечают на вопрос: «Что будет, если ...?» и позволяют выявлять поведение системы (изменение ее состава, структуры и свойств) под действием внешних и внутренних факторов. Поэтому имитационные моделирование широко используется в упр...
• (W(() = Wр(() + Wвв(() ( W((,У) ( Wп((,У) (4.8)
• V(() = ( (W(() + Vн Vмо ( V(() ( Vпол. Wп(() ( Wдоп.
• где Vн − объем водохранилища на начало расчетного периода.
• Модель позволяет имитировать управление объемами воды в водохранилище в зависимости от режима водопотребления, осуществления попусков при условии изменения режима стока воды в реке. Если задаться критерием оптимизации, например, минимизация отклонений...
• (4.9)
• Прогнозные модели отвечают на вопрос: «Что будет, если система не изменяется?», и позволяют определять параметры системы при неизменном составе и свойств системы. Например, для условий предыдущей задачи исключается возможность управления попусками и в...
• (W(() = Wр(()+Wвв(()( W(()( Wп(() (4.10)
• V(()= ( (W(()+Vн Vмо ( V(() ( Vпол. Wп(() ( Wдоп.
• Модель должна учитывать свойства системы:
• 1. Делимость − система состоит из отдельных компонентов, каждая из которых имеет свои цели и функции. Наглядным примером является воднобалансовая модель. Уравнение ВХБ содержит приходную и расходную части (деление на два компонента). Каждая часть сост...
• 2. Связанность компонентов – все компоненты системы связаны между собой и влияют друг на друга. Например, модель трансформации половодья связана с использованием полезной емкости водохранилища, из которого осуществляется водообеспечение отраслей и осу...
• 3. Эмерджентность – система обладает свойствами, отличающимися от свойств входящих в нее компонентов. Наглядным примером может служить эффективность водоохранных мероприятий. Целевая функция – зависимость концентрации загрязняющего вещества в речной в...
• (4.11)
• (4.12)
• Управляющее воздействие направляется на снижение загрязненности сточных вод, путем проведения водоохранных мероприятий (ВОМ) с эффективностью, например: Эвом1 = 0,4 и Эвом2 = 0,5 (данные эффективности отражают свойства входящих в систему компонентов –...
• 4. Адекватность – модель должна с заданной точностью отражать происходящие в системе и ее внешней среде изменения. Например, модель загрязнения реки сосредоточенными стоками, с учетом самоочищения воды (k − коэффициент самоочищения воды):
• Целевая функция
• С = Сф ( (Сф ( Со)(exp((kх) (4.13)
• Со = (Свв ( Wвв + Сф ( Wф)/(Wвв + Wф) (4.14)
• Из формул видно, что любое изменение концентраций или объемов воды отразится на загрязненности речной воды
• 5. ПЕРЕЧЕНЬ ЗАДАЧ, РЕШАЕМЫХ
• ПРИ УПРАВЛЕНИИ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ
• КОМПЛЕКСАМИ
• 6. ОПТИМИЗАЦИОННЫЙ МЕТОД
• ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
• 7. ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ
• ВОДОПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ
• ЧД((мах (7.10)
• 8. ПЛАНИРОВАНИЕ − КАК ФУНКЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ
  • 8.1. Управленческое решение
  • 8.2. Эффективность управленческого решения
• 9. УПРАВЛЕНИЕ СТАТЬЯМИ
• ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО БАЛАНСА
  • 9.1. Увеличение объема приходной части ВХБ
  • 9.2. Методы сокращения объемов расходной части ВХБ
• 10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УЩЕРБОВ ОТ ОГРАНИЧЕНИЯ ВОДОПОДАЧИ ПРИ ОПЕРАТИВНОМ УПРАВЛЕНИИ РЕЖИМАМИ КОМПЛЕКСНЫХ ГИДРОУЗЛОВ
• 11. УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВА ВОД
• 2. В матрице, по минимальной эффективности, выделяется столбец (u) и строка (v) (эффективность 0,1). Данные столбец и строка удаляются из матрицы. При этом пересчитываются элементы матрицы (j ( 2) (i ( 2)по формуле:
• 12. ОПТИМИЗАЦИЯ В УПРАВЛЕНИИ
  • 12.1. Методы оптимизации для решения задач
  • водораспределения
  • 12.2. Критериальная оптимизация
  • Рисунок 12.2 − Определение области эффективных решений
  • по двум критериям, выраженным в денежных эквивалентах
  • Нашли применение следующие методы многокритериальной оптимизации.
  • Метод Домбровского. Данный метод заключается в поиске максимума новой функции (f) которая получается путем суммирования значений всех i-х частных критериев (КРi). Для этого используемые критерии нормируются по их максимальному значению. Учитывая, что ...
  • Метод «Равной эффективности». Данный метод основан на выборе компромиссного варианта, для которого эффективности рассматриваемых критериев наилучшим образом соответствуют друг другу:
• ГЛАВА 2. РАСЧЕТЫ ПРАКТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
• УПРАВЛЕНИЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ
• СИСТЕМАМИ
• ТЕМАТИКА: УПРАВЛЕНИЕ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ
• ИРРИГАЦИОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
• ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ
• ВВЕДЕНИЕ
• 1. ГИДРОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
• 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ
• ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТОКА
• 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
  • 3.1. Объемы водопотребления и водоотведения
    • 3.1.1. Объемы водопотребления
    • Таблица 3.4 − Внутригодовое распределение объемов
    • водопотребления для орошения, %
    • 3.1.2. Объемы водоотведения
  • 3.2. Объемы водопользования
• 4. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ
• СТОЧНЫХ ВОД
• 5. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС
  • Таблица 5.2 − Определение максимальной полезной емкости
  • водохранилища для полного годичного регулирования стока, млн м3
• 6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОЛЕЗНОГО ОБЪЕМА ВОДОХРАНИЛИЩА
  • 6.1. Постановка задачи оптимизации
  • полезного объема водохранилища
  • 6.2. Постановка задачи оптимизации водораспределения
  • между ГЭС и орошением
  • Все оптимизационные расчеты проводятся в табличной форме (таблица 6.1, 6.2), в которой имеющийся ресурс воды делится на i вариантов минимум на 5 вариантов (Vi = 0…Vmax, i = 1…5). Для каждого i-го варианта делается оптимизация водораспределения объемов...
  • 6.3. Система ограничений
• Полезный объем водохранилища определен на основе оптимизации одного критерия, который учитывает общие для всего ВХК экономические характеристики. При этом, в явном виде, не учитываются:
• − требования конкретного участника водохозяйственного комплекса (орошения и энергетики);
• − формирование качества воды в водохранилище;
• − затопление и подтопление земель при создании водохранилища.
• Данные факторы влияют на принятие решения по определению полезной емкости и могут быть формализованы в виде критериев оптимизации. Поэтому, полезный объем водохранилища может определяться путем проведения многокритериальной оптимизации. Для этого выде...
  • 7.1. Формирование критериев оптимизации
    • 7.1.1. Экономический критерий
    • 7.1.2. Производственный критерий
    • 7.1.3. Экологический критерий
  • 7.2. Применение метода Домбровского для определения полезного объема водохранилища
  • 7.3. Применение метода «Уступок»
  • 7.4. Применение метода «Равной эффективности»
  • 7.5. Применение метода «Линейной свертки критериев»
  • 7.6. Применение метода Фуллера
  • 7.7. Метод циклограмм
• ВЫВОДЫ
• 3. Оптимальные объемы воды на орошение и ГЭС.
• ГЛАВА 3. ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
• Введение
•  подземные воды, гидравлически связанные с рекой (грунтовые воды), используются для сельскохозяйственного водоснабжения.
• I. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
• II. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЕМОВ
• ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СТОКА
• III. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ
  • III.1 Объемы водопотребления и водоотведения
    • III.1.1 Объемы водопотребления
    • III.1.2 Объемы водоотведения
  • III.2 Объемы водопользования
• IV. ХАРАКТЕРИСТИКА ЗАГРЯЗНЕННОСТИ
• СТОЧНЫХ ВОД
• V. ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫЙ БАЛАНС
• VI. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ РАСЧЕТЫ
  • VI.1 Постановка задачи оптимизации полезного объема водохранилища
  • VI.2 Постановка задачи оптимизации водораспределения
  • между ГЭС и орошением
  • Все оптимизационные расчеты проводятся в табличной форме (табл. VI.1, VI.2), в которой имеющийся ресурс воды делится на i вариантов минимум на 5 вариантов (Vi = 0…68 млн м3, i = 1…5). Для каждого i-го варианта делается оптимизация водораспределения об...
  • VI.3 Система ограничений
• VII. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОГО ОБЪЕМА
• ВОДОХРАНИЛИЩА С ПОМОЩЬЮ МНОГОЦЕЛЕВОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
• Многокритериальная оптимизация проводиться с учетом распределения воды между ГЭС и орошением. В целях сокращения расчетов, принимается найденное по однокритериальной оптимизации распределение полезного объема водохранилища (см. гл.VI): Wор = 21 млн м3...
  • VII.1 Применение метода Домбровского для определения параметров водохранилища
  • VII.2 Применение метода «Уступок»
  • VII.3 Применение метода «Равной эффективности»
  • В качестве компромиссного принимается вариант (ЭФ = 1,31, которому соответствует значение полезного объема водохранилища Vплз = 48 млн м3.
  • VII.4 Применение метода «Линейной свертки критериев»
  • VII.5 Применение метода Фуллера
  • В качестве компромиссного варианта принимается вариант с наибольшим количеством предпочтений (18), которому соответствует оптимальный объем водохранилища Vплз = 20 млн м3
  • VII.6 Метод циклограмм
• VIII.1 Выполнение расчетно-графической работы
• по примеру РГР-1 ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВОДООХРАННЫХ МЕРОПРИЯТИЙ
• В БАССЕЙНЕ РЕКИ
• 4. В матрице, по минимальной эффективности, выделяется столбец (u) и строка (v) (эффективность 0,1). Данные столбец и строка удаляются из матрицы. При этом пересчитываются элементы матрицы (j ( 2) (i ( 2)по формуле:
• Варианты заданий
• IX. Выполнение расчетно-графической работы по примеру РГР-2 ОПТИМИЗАЦИЯ ВОДОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ МЕЖДУ ГЭС И ОРОШЕНИЕМ
  • Все оптимизационные расчеты проводятся в табличной форме, в которой имеющийся ресурс воды делится на 5 вариантов (Vi=0…Vmax, i = 1…5).
• X. Выполнение расчетно-графической работы по примеру РГР-3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОГО ОБЪЕМА
• ВОДОХРАНИЛИЩА С ПОМОЩЬЮ
• ОДНОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
• В работе рассматривается ирригационное водохранилище. Располагаемый ресурс воды (Vресурс, млн м3) обеспечивает оросительную способность F:
• F = Vресурс ( (ор ( 1000/М, т га
• Полезный объем водохранилища определяется с помощью экономического критерия, который учитывает получение чистого дохода для всего водохозяйственного комплекса (ВХК).
  • Система ограничений включает условия РГР-2, которые дополняются ограничениями на величину используемого объема стока реки:
• XI. Выполнение расчетно-графической работы по примеру РГР-4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОГО ОБЪЕМА
• ВОДОХРАНИЛИЩА С ПОМОЩЬЮ
• МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ
• Многокритериальная оптимизация полезного объема водохранилища проводиться для ирригационных целей его использования. Полезный объем водохранилища определяется с учетом критериев:
  • Определение полезного объема водохранилища методом Домбровского (равнозначные критерии)
  • Определение полезного объема водохранилища методом «Равной эффективности»
  • Рисунок XI.3 − Зависимость суммарного критерия метода оптимизации равной эффективности от объема воды в водохранилище
• В качестве компромиссного принимается вариант (ЭФ = 0,63, которому соответствует значение полезного объема водохранилища Vплз = 5 млн м3. Это фактически говорит, что создание водохранилища в данных условиях практически не выгодно.
• ПРИЛОЖЕНИЕ