Комплексная задача оптимизации.

Задача оптимизации планирования в масштабе региона требует рассмотрения достаточно большого числа вариантов различных водоохранных мероприятий при комплексном рассмотрении всех имеющихся источников загрязнения. Объем, возникающий при этой задаче таков, что перебор всех вариантов при наличии большого числа источников затруднен. Поэтому для решения поставленной задачи оптимизации необходим эффективный метод оценки вариантов. Естественным подходом при этом является выделение иерархической структуры во множестве вариантов таким образом, чтобы перебор, отсев и сужение круга поиска начинались на верхнем агрегированном уровне с последующей детализацией и уточнением на нижних уровнях. Соответственно и задачу оптимизации можно разбить на несколько последовательных подзадач. Сначала проводится оптимизация первого (агрегированного) уровня при самом обобщенном описании объекта и грубый отбор лучших вариантов.

На последующих этапах делается детальное сравнение отобранных вариантов и т.д.

Для задач водоохраны может быть рассмотрено 3 уровня оптимизации и соответственно 3 класса моделей:

1. Модели оптимизации функционально-различных технических средств.

2. Модели, в которых рассматривается взаимодействие технических средств одного вида, но разных типов.

3. Модели оптимизации операционно различных технических решений.

Модели первого класса определяют как оптимальным образом распределить «нагрузку» по охране вод между различными группами мероприятий:

1. Мероприятия в рамках самого производства, т.е. замена одного технологического процесса другим, дающим меньше отходов и максимальное повторное использование и т.д., т.е. реализации или достижения наилучших достижимых технологий.

2. Мероприятия по очистке сточных вод до их поступления в водную среду на локальных и внеплощадочных очистных сооружениях.

3. Мероприятия, связанные с самой водной средой (интенсификация процессов самоочищения засчет аэрации и других способов).

Модели второго и третьего классов направлены на дальнейшую детализацию (выбор наилучшего размещения очистных сооружений, степени очистки на каждом сооружении отдельно и т.д.).

В качестве типовых можно назвать следующие задачи оптимизации:

1. Оптимизация степени очистки сточных вод.

2. Выбор оптимальной технологии очистки.

3. Агрегирование очистных мероприятий.

4. Оптимизация водного режима.

5. Оптимизация режима сброса сточных вод.

6. Искусственная аэрация.

7. Надежность функционирования сети станций.

8. Оптимизация очередности строительства.

Рассмотрим более подробно задачи оптимизации первого типа.

Рассмотрим формальную постановку задачи оптимизации степени очистки сточных вод.

Пусть вдоль водотока расположено “n” источников загрязнения. Требуется взаимоувязать степени очистки P_i так, чтобы суммарная стоимость очистных мероприятий была минимальной, т.е. решается задача такого типа:

∑S^or_i(P_i)→min _Pi (13)

∑U^or_i(P_i)≥U^or (14)

P_i^min≤P_i<P_i^max

S^or_i – приведенные затраты на очистку в i-том пункте.

U^or – отнесенное к контрольному створу снижение концентрации примесей в водном объекте, предусмотренное в результате очистки сточных вод.

U^or_i - снижение концентрации примесей в контрольном створе в результате удаления части примеси на i-той очистной станции.

P_i^min и P_i^max – это минимально допустимая и максимально возможная степени очистки сточных вод.

В отдельных работах проводится более детальная постановка задачи для неконсервативных загрязнений, включающих в рассмотрение процессы смешения и самоочищения. Для различного типа задач могут накладываться ограничения по двум и более параметрам. Например, по БПК и растворенному кислороду.

В том случае, если рассматривается большое число точек загрязнения, то применяется разбиение водотока на отдельные участки, содержащие, как правило, не более 10 точек каждый.

Задача выбора оптимальных технологий очистки.

Пусть в некоторой фиксированной точке требуется очищать некоторое количество сточных вод определенного химического состава. Требуемое качество сточных вод на выходе очистной системы считается уже определенным исходя из интересов бассейна в целом. С этой целью используются типовые модели конвективно-диффузионного переноса и превращения веществ (КПД и ПВ) или модели типа уравнений Фелпса-Стритера.

(15)

Она расшифровывается как нестационарная двухмерная неоднородная модель для неконсервативных примесей.

(16)

(17)

В практике водоохраны имеется много различных видов очистки (механический, химический, биологический и их комбинации).

Для каждого вида и метода очистки считаются известными:

1. степень очистки, допускаемая процессом (т.е. максимально возможная удаляемая доля по каждому компоненту загрязнений).

2. Капитальные и эксплутационные затраты на соответствующие очистные сооружения в зависимости от требуемой мощности очистки.

Задача состоит в том, чтобы спроектировать оптимальную по стоимости ( в терминах приведенных затрат) схему очистки, отвечающую заданным требованиям по ПДС для каждого источника загрязнений по всем расчетным компонентам.

В практике проектирования систем водоотведения исследуется зависимость факторов экономической эффективности и качества воды от различия в технологии использования воды и очистки.

Из-за большого разнообразия задач встречаются случаи, когда необходимо определить эффективную компоновку очистки сточных вод при наличии одновременно как органических, так и термических загрязнений.

5. Основные характеристики экологического стандарта технологического процесса производства для отдельного вида продукции и нормативы качества окружающей среды. (Технологическое нормирование и нормирование окружающей среды).