-
Методологические аспекты
Методология – совокупность методов познания. Рассмотрим такие методологические аспекты, как объект исследования (то, что изучается) и метод исследования (как изучается объект) в водохозяйственной практике.
Объектом изучения в Водном хозяйстве является Природно-техническая система (ПТС), т.е. совокупность природных и технических объектов, связанных между собой территориально и функционально. Создание водохозяйственных объектов предполагает использование земельных и водных ресурсов, ресурсов климата, биологических ресурсов леса и т.д. Каждый из природных и антропогенных объектов объединен со всеми другими явными или не явными связями. Обоюдное влияние может быть как положительным (например, для деятельности человека) так и отрицательным (для природных объектов). Поэтому, решая производственные вопросы надо рассматривать окружающую среду в целом, в пределах которой, и за счет которой, осуществляется деятельность человека, с учетом пространственных и временных границ воздействия.
Представленная на рисунке 3.2 схема ПТС ограничена зонами прямого и косвенного влияния антропогенной деятельности на природные объекты.
Создание водохранилища вызывает подтопление прилегающей территории, что наряду с площадью, которую занимает город и завод, и зоной их влияния на прилегающую территорию, ограничивает ПТС с левого берега (а). На правом берегу влияние орошения и осушения земель накладывается на подтопление территории водохранилищем (б’, б’’).
В пределы ПТС включается нижний бьеф гидроузла до контрольного створа, в котором перестает существенно сказываться влияние водохранилища на переформирование гидрографа стока и гидрохимический режим, который зависит от сброса сточных вод в нижний бьеф и попусков из водохранилища (в). В верхнем бьефе учитывается подпор реки водохранилищем, который изменяет гидрологический режим и прилегающих наземных территорий (г).
Граница зон влияния водохозяйственного комплекса на прилегающие территории и водный объект.
Изменение положения уровня грунтовых вод на прилегающей к водохранилищу и осушаемым землям территории в створе 1-1’.
Рис.3.2 Пример определения границ ПТС.
Система
- совокупность целостных элементов (n),
находящихся между собой в связях (z)
и
образующих новое качественное единство.
Природно-технические
водохозяйственные
системы относятся к разряду сложных
систем,
которые характеризуются составом
и структурой.
В состав водохозяйственных систем
входит большое количество природных и
инженерно-технических объектов. Все
объекты связаны между собой огромным
количеством структурных связей. Например,
если некоторая система состоит из трех
компонентов, то они связаны тремя
структурными связями. При увеличении
элементов состава, количество структурных
связей экспоненциально увеличивается
(рис.3.3). Изучение водохозяйственных
систем и управление ими осуществляется
с помощью специальной методологии –
системного
подхода.
Рис.3.3 Изменение количества структурных связей (Z)
в зависимости от состава (n) системы.
Сложные системы обладают особыми свойствами.
-
Уникальность - каждая система не имеет полных аналогов поведения.
-
Неопределенность - подробное знание морфологии и функций элементов системы не позволяет определить функций всего объекта в целом. (Например, можно досконально изучить свойства кирпичей, но предсказать какой получится, на основе этих знаний, дом невозможно).
-
Устойчивость - система способна, в определенных пределах, сохранять устойчивость при случайном и неблагоприятном воздействии среды, и достигать поставленную цель. (Например, водохозяйственные системы создаются с запасом прочности, который позволяет обеспечивать гарантированное водоснабжение практически бесперебойно в независимости от обеспеченности стока).
-
Целенаправленность - сохранение и усиление процесса, ведущего к основной цели.
Изучение, проектирование и управление сложными системами ведется с помощью специального метода "Метода системного анализа". Существо метода: "От общего к частному". Это означает, что на основе анализа существующей обстановки разрабатывается главная цель, решаемая частными подразделениями, которым выдается управляющее воздействие. Данный метод хорошо просматривается на схеме принятия решений (рис.3.4). Определяется (первый блок) народнохозяйственная цель, для достижения которой выдается задание водному хозяйству (второй блок). Например, требуется разработать на перспективный период мероприятия по обеспечению водой определенного: количества населения, объема вырабатываемой продукции, поголовья скота. В водном хозяйстве изучаются ресурсы воды (Wр): определяются возможные источники водоснабжения, объемы располагаемых ресурсов и их качество, условия их формирования. Параллельно определяются запросы отраслей экономики к воде и водным объектам: необходимые объемы воды (Wт) и ее качество, глубина воды, колебания уровней. На следующем этапе идет согласование располагаемых водных ресурсов и потребностью в них на основе составления водохозяйственных балансов (ВХБ):
ВХБ = Wр – Wт
ВХБ может быть положительным – бездефицитным, или отрицательным – дефицитным. В первом случае имеющихся водных ресурсов достаточно, во втором - отмечается их нехватка, что приводит к необходимости разработки мероприятий по ликвидации дефицита воды. К таким мероприятиям могут относиться: регулирование речного стока во времени, территориальное перераспределение стока, вскрытие дополнительных подземных источников и т.п. После выбора необходимых мероприятий приступают к их реализации в виде инженерных проектов: проектируется гидроузел, насосные станции, системы водоснабжения. На следующем этапе делается экономическое, экологическое и социальное обоснование предложенных в инженерных проектах решений: определяется их экономическая эффективность, делается оценка их влияния на окружающую среду, предлагается развитие инфраструктуры.
Рис. 3.4 Схема принятия решений в водном хозяйстве
После государственной экспертизы проект защищается перед «Лицом принимающим решение» (ЛПР), который представляет собой: Государственную комиссию или отдельного заказчика. ЛПР может пересмотреть схему на любом ее этапе ( что отражено обратными связями) и вынести решение: принять разработку, отправить на доработку или отклонить ее.
Системный подход в исследовании, проектировании и управлении сложными объектами базируются на ряде универсальных принципов.
1.Принцип системности – любая сложная система, состоит из множества взаимосвязанных и взаимодействующих элементов, которые сами являются системами, состоящими из более мелких взаимосвязанных элементов. Кроме того, сама исходная система является одновременно подсистемой более сложной системы. Например, одной из основных водохозяйственных задач Уральского региона является охрана реки Обь от загрязнения. Для решения данной задачи бассейн реки делится на ряд водохозяйственных участков и для каждого участка разрабатываются конкретные Водоохранные мероприятия. Другим примером может служить ПТС бассейна реки, которая состоит из систем первого порядка: ВХК, ВХС и природные объекты (рис.3.5). Каждый из этих объектов в свою очередь состоят из ряда подсистем второго порядка. Например: отрасли – водопотребители (промышленность, орошение), водопользователи (водный транспорт, гидроэнергетика); гидроузел – водохранилище, плотина, сбросные сооружения; водные объекты – поверхностные (реки, озера, болота), подземные (почвенная вода, грунтовая, межпластовая); наземные объекты – леса, луга, овраги.
Рис. 3.5 Состав природно-технической водохозяйственной системы (ПТС)
бассейна реки.
2. Принцип иерархичности – заключается в возможности выделения в сложной системе множества подсистем, находящихся на различных организационных уровнях, подчиненных друг другу по вертикали, и имеющих собственные цели и функции, выполнение которых направлено на достижение общей цели системы. Выделение подчиненных уровней в системе является важной задачей, необходимой для формирования частных и комплексных критериев оценки эффективности технических решений, которые принимаются на различных этапах проектирования.
3.Принцип декомпозиции – возможность деления системы по тому или иному признаку на множество элементов и связей между ними. Например, рассматривается возможность создания гидроузла на реке (рис.3.5). Для определения его параметров строится расчетная схема, которая представляет собой отдельный компонент целой системы, рассматриваемый отдельно. Связи его с другими компонентами отображаются в виде стрелок.
Рис.3.6 Применение принципа декомпозиции для определения параметров гидроузла.
4.Принцип композиции (интеграции) – заключается в возможности объединения большого количества элементов (подсистем) с помощью связей в единую систему по единым правилам. В процессе проектирования данный принцип используется в задаче синтеза структуры технологического процесса и его обобщенных параметров из параметров подсистем.
Рис.3.7 Использование принципа композиции для объединения двух водохранилищ
с полезной емкостью V1 и V2 в единую систему.
5. Принцип обратной связи заключается в такой организации взаимодействия в системе, при которой принятие решения осуществляется не только на основе анализа фактического состояния системы. Данный принцип отображен на схеме принятия решения. Управление системами основано на сборе и анализе исходных данных о состоянии системы (характеристика исходного состояния и отклики на управляющие воздействия).
Рассмотрим пример проведения расчетов без учета обратной связи (без проверки получаемых результатов). Допустим, что для участка реки (см. рис.3.8) надо провести воднобалансовые расчеты.
Wр
W
Город
Wвв
1
1
Wост
Рис.3.8 Схема для составления уравнения водохозяйственного баланса.
Данных, полученных путем прямых измерений объемов воды в реке, нет. Объем стока Wр, объемы водопотребления W и водоотведения Wвв получены расчетным путем. Точность определения данных составляющих равна, соответственно: 50%, 4% и 7%. Составление водохозяйственного баланса позволяет определить фактический сток воды в реке после использования ее для целей водоснабжения города Wф=Wр+Wвв-W , ошибка его определения будет не менее 50%. Следовательно, если не провести уточнение параметров путем измерений объемов стока воды в реке (получить обратную связь), получим, что в реке после использования фактический объем воды находится в пределах диапазона Wф(10.5), т.е. практически не достоверный результат.
6. Принцип управляемости заключается в том, что система не должна содержать элементов, не реагирующих на управление. Планируемые мероприятия должны быть управляемыми и обеспечивать прием (передачу) и обработку информации, относящейся к определенным ситуациям, в нужной последовательности с привлечением необходимых программных средств. В любом случае необходимо иметь возможность вмешиваться в процесс принятия решений для корректировки.
7. Принцип эффективности состоит в том, что достижение в системе требуемого экологического, экономического и социального уровня эффективности обеспечивается повышением согласованности ее элементов и целенаправленным формированием структуры системы. В этом случае ставится общая цель (например, улучшение качества водных ресурсов), выделяются элементы системы (участок реки, подвергающийся загрязнению, источники и виды загрязнения) и наиболее значимые процессы (самоочищение воды, вторичное загрязнение). Все элементы структуры согласовываются между собой (составляется уравнение гидрохимического баланса). Правильная постановка задачи и выбор необходимого и достаточного количества учитываемых элементов позволяет направить проектную деятельность на поиск наиболее эффективного решения.
Рассмотрим пример решения задачи - разработка мероприятий водообеспечения города и защита сельского поселка от затопления во время весеннего половодья.
Характеристика возможных вариантов защиты:
1. водоснабжение города осуществляется из водохранилища, которое полностью позволяет аккумулировать сток половодья, приводящий к затоплению земель;
2. водоснабжение города осуществляется из водохранилища, которое позволяет аккумулировать только часть стока половодья, что снижает площадь затопления земель в районе расположения поселка, но требуется дополнительное устройство дамб обвалования;
3. водоснабжение города осуществляется из подземных водоносных горизонтов, а защита земель от затопления проводится путем дамб обвалования.
Экспертная оценка вариантов по трех- или двух- бальной системе (+ обозначает наличие негативного последствия) показывает (табл.3.1), что, при условии рассмотрения каждого отдельного варианта, учитывалась согласованность его элементов (параметры сооружений определены на основе оптимизационных расчетов по критерию максимальной эффективности и каждый вариант представляет наиболее эффективное решение, но только для конкретной схемы). Наилучший вариант №3 получен на основе оптимально сформированного состава системы и согласования ее компонентов.
Табл.3.1
Сравнение вариантов
-
Характеристика
Варианты
1
2
3
Дополнительное затопление при создании водохранилища
+++
++
+
Подтопление земель при создании водохранилища
+++
++
+
Затраты*
+++
++
+
Требуемая водоподготовка для водоснабжения
++
++
+
Не возможность использования водных ресурсов для других целей (судоходства, ГЭС и т.п.)
-
+
++
-
затраты на создания гидроузла больше затрат по обвалованию земель и устройству подземного водозабора.
Рис.3.9 Варианты водообеспечения города и защиты сельского поселка от затопления во время весеннего половодья.
8.Принцип преемственности (типизации и стандартизации) предполагает рациональное использование в проектируемой системе апробированных прогрессивных типовых или стандартных элементов. Проектирование и управление должно осуществляться на основе широкой преемственности в применении хорошо зарекомендовавших себя на практике типовых методик и средств формирования новых решений.
Например, использование опыта, полученного при строительстве и эксплуатации одной системы, учитывается при проектировании другой. Разработку проектов следует проводить, сочетая типовые решения с новыми или формируя новые комбинации типовых решений, что позволит быстрого и с небольшими затратами достичь желаемого результата.
9.Принцип контринтуитивного отрицания заключается в том, что создать удовлетворительный проект сложной системы, опираясь только на опыт и интуицию проектировщика, практически мало вероятно. Этот принцип говорит о необходимости сочетания, в процессе проектирования, опыта специалиста со строгим, доказательным теоретическим решением, представленным аналитическими расчетами или имитационными моделями.
Использование ЭВМ позволяет наиболее эффективно реализовать на практике данный принцип, вследствие более полного, глубоко правильного и оперативного удовлетворения информационных потребностей проектировщика. Принимая решение, на основе собственного опыта и интуиции, проектировщик попадает под действие известного в природопользовании «Принципа интуитивного отрицания», который говорит о том, что человек защищает и отстаивает то решение (чисто субъективное), которое на его взгляд является верным.
10.Принцип вариантности. Выбор наиболее эффективного решения возможно на основе рассмотрения разных вариантов. Этот принцип обуславливает необходимость генерирования альтернативных вариантов технологических структур и параметров их компонентов. Вариантность позволяет отойти от субъективизма в принятии решения и тем самым выполнить «принцип контринтуитивного проектирования» и повысить эффективность проектирования в соответствии с «принципом эффективности».
Другим его частным проявлением должно быть использование «принципа многокритериальности», т.е. обязательности оптимизации проектируемого технологического процесса по нескольким критериям. Желательно, чтобы процедура проектирования была многоцелевой, ориентированной на разработку технологических процессов для различных типов производства. При выборе из альтернативных вариантов следует отдавать предпочтение тем, которые при реализации позволяют достичь нескольких целей и являются экологически безопасными.
11. Принцип согласованности заключается в том, что все элементы системы (как по вертикали, так и по горизонтали) должны быть согласованы между собой с целью достижения заданной эффективности. Этапы реализации идеи должны иметь согласование по выполняемым функциям и целям функционирования, по программному и алгоритмическому обеспечению. Для достижения требуемой эффективности технологического процесса параметры (режимы) его операций и переходов должны быть оптимальными, т.е. согласованными в плане достижения поставленных целей.
12. Принцип взаимозависимости производственной системы и среды приводит к необходимость рассмотрения системы относительно той среды, в которой осуществляется или предполагается ее функционирование. Технологические процессы должны быть ориентированы на состояние той производственной среды, где предполагается их эксплуатация. В частности, необходима адаптация к типу производства (массовое, крупносерийное, серийное, единичное).
13.Принцип эмерджентности состоит в том, что сумма воздействий разных факторов на систему, не равна их суммарному воздействию.
Пояснить данный принцип можно на следующих примерах.
-
При выращивании растений на орошаемых землях, урожайность (У) определяется такими факторами как наличие питательных веществ в почве, что зависит от дозы удобрений (Д) и оросительной нормы (М). Эти воздействия сами по себе приводят к увеличению урожайности: УД=f(Д), УМ=f(М), но реальная урожайность оказывается больше суммы результата воздействий на величину совместного влияния от применения удобрений и орошения f(Д, М): У = УД +УМ + f(Д, М).
-
Использование бетона, труб и кирпичей (как единичных факторов), позволяет получить качественно новое образование, например жилой дом.