Обґрунтування необхідності та сучасні підходи до оптимізації проектних рішень при будівництві й реконструкції осушувальних систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

ОБГРУНТУВАННЯ НЕОБХІДНОСТІ ТА СУЧАСНІ ПІДХОДИ ДО ОПТИМІЗАЦІЇ ПРОЕКТНИХ РІШЕНЬ ПРИ БУДІВНИЦТВІ Й РЕКОНСТРУКЦІЇ ОСУШУВАЛЬНИХ СИСТЕМ

Нестерук Л.М., пошуковець,

Фроленкова Н.А., к.е.н., ст. викладач,

Рокочинський А.М., д.т.н., професор

Анотація

Розглянуті головні передумови щодо необхідності та сучасні підходи до оптимізації проектних рішень при будівництві й реконструкції осушувальних систем.

Annotation

The main preconditions to necessity and new approaches to optimization of projects decisions at construction and reconstruction of drainage systems are considered.

Виклад основного матеріалу

Меліоративний фонд України в зоні осушення складає 5,4 млн. га. З них сьогодні меліоровано 3,3 млн. га (або понад 60 %). Згідно Програми «Україна - 2010», головними стратегічними напрямами меліорації земель на перспективу повинні стати всеохоплююча реконструкція й удосконалення існуючих систем, приведення до оптимального співвідношення зрошення і осушення з іншими меліоративними способами покращення властивостей землі і підвищення її родючості, застосування прогресивних технологій водорегулювання і режимів зрошення.

Разом з тим, розвитку меліорації в Україні взагалі, і в зоні осушення зокрема, притаманні всі загальні об'єктивно зумовлені як позитивні, так і негативні тенденції. В першу чергу, це стосується того, що широкомасштабний розвиток меліорацій потребує значного капіталовкладення, але отриманий економічний ефект при цьому складає в кращому випадку 60...70 % від проектного [1].

Недосягнення проектної ефективності меліорацій відбувається через нестачу наших знань про результати взаємодії меліоративної діяльності людини з природними процесами та їх урахуванні при проектуванні меліоративних об'єктів [1]. Унаслідок цього на меліорованих землях і прилеглих до них територіях розвиваються процеси з негативними явищами, які різко знижують ефективність меліорацій:

· знизилась родючість та продуктивність меліорованих земель; недобір урожаю на сьогодні становить близько 40%;

· порушується структура сівозмін;

· меліоровані землі використовуються недостатньо інтенсивно: більшість осушених земель використовують як непродуктивні луки та пасовища; за останні роки скоротились посівні площі найпродуктивніших культур, а, відповідно, збільшились площі під кормовими культурами, передусім травами;

· швидке моральне і фізичне старіння та вихід з ладу основних меліоративних фондів;

· велика енерго-та матеріалоємність діючих меліоративних систем;

· кризові ситуації в області екології: деградація ґрунтів, виснаження та забруднення підземних вод, підтоплення орних земель та населених пунктів, заболочення та засолення зрошуваних земель тощо.

Вирішення даної проблеми можливе шляхом переходу на оптимізаційні методи проектування та розрахунку меліоративних об'єктів.

В розвиток досліджень, започаткованих в Україні для зони надмірного та нестійкого зволоження із середини 80-х років професором М.О.Лазарчуком і співробітниками кафедри гідромеліорацій НУВГП, були розроблені наукові принципи, методи і моделі оптимізації технічних і технологічних рішень з водорегулювання осушуваних земель при будівництві, реконструкції та експлуатації меліоративних об'єктів в зоні достатнього та нестійкого зволоження [2 та ін.].

Оскільки сформульований науковий напрямок є надзвичайно складним, об'ємним і багатопрофільним за своїм характером і змістом, вагомим здобутком творчого колективу за минулі 25 років, в числі інших, була першочергова розробка та впровадження економіко-математичних методів розрахунку оптимальних параметрів дренажу, а також обґрунтування вибору оптимальної розрахункової забезпеченості і перерізів магістральних каналів (водоприймачів) як основних технічних елементів, що визначають ефективність роботи осушувальних систем в цілому.

Тому, головна мета наших досліджень полягає в подальшому розвитку та удосконаленні оптимізаційних методів проектування і розрахунку осушувальних систем та їх елементів на еколого-економічних засадах.

Для досягнення вказаної мети необхідно вирішити наступні завдання:

Удосконалити технологію проектування. Зокрема, перейти на один із визначальних принципів оптимізації проектування - багатоваріантність, тобто пошук оптимального проектного рішення з вибраної сукупності можливих альтернативних варіантів.

Існують стандартні процедури та етапи технології розробки меліоративних проектів [3]. І хоча в них задекларована необхідність вибору оптимального для реалізації технологічного варіанту меліоративного проекту з ряду альтернативних варіантів, на практиці даний механізм відсутній. Обґрунтування проектного рішення (ПР) на еколого-економічних засадах потребує удосконалення самого процесу проектування, особливо при розгляді або уточненні етапів розробки проекту. Тому, при переході на багатоваріантну розробку за аналогією з проектами в промисловості доцільно ввести стадію ескізного проектування.

В загальному випадку ескізні проекти - це попередні плани рішення поставленого завдання в конкретних умовах і, як правило, вони охоплюють розробку основних питань з невеликою кількістю показників. Етап ескізного проектування розробляється для концептуального визначення вимог до територіальних, функціональних, екологічних вирішень об'єкта, принципового підтвердження можливості і доцільності його створення.

На етапі ескізного проектування здійснюється попередня розробка та визначаються основні види та об'єми робіт по кожному з альтернативних варіантів аналізованих проектних рішень.

У загальному випадку найкращий варіант конструкції меліоративної системи, як правило, визначається через порівняння техніко-економічних показників відповідних ПР між собою.

Всі ці варіанти проектних рішень забезпечують відповідну кількість та якість отримуваної сільськогосподарської продукції, тобто економічний ефект від реалізації гідромеліоративних заходів, а також відповідний екологічний ефект. А тому адекватна порівняльна оцінка загального еколого-економічного обґрунтуваня (ТЕО) дозволить вибрати спочатку найкращій варіант з можливих альтернативних рішень та визначити в подальшому абсолютну ефективність проекту в цілому.

Отже, реалізація такого підходу потребує обов'язкового розгляду та оцінки проектних рішень у декілька наступних етапів:

- обґрунтування, вибір й попередня оцінка можливих варіантів проектних рішень щодо природно-агро-меліоративних умов реального об'єкта;

- обґрунтування й вибір оптимального варіанту проектного рішення за порівняльною оцінкою альтернативних варіантів з дотриманням економічних та екологічних вимог;

- остаточна оцінка вибраного проектного рішення за абсолютними техніко-економічними показниками.

Розробити модель вибору оптимального рішення. На стадії проектів нового будівництва і реконструкції існуючих систем шляхом виконання більш детальних розрахунків для різних варіантів систем необхідно проводити оптимізацію природно-меліоративних режимів осушуваних земель, яка полягатиме, головним чином, в оптимізації режимів водорегулювання в межах визначених норм відведення надлишкової і подавання, при необхідності, додаткової води на зволоження, а також оптимізації параметрів складових елементів і системи в цілому. Завдяки цьому необхідно обґрунтувати й визначити оптимальне рішення з типу, конструкції та параметрів гідромеліоративної системи, що зумовлені прийнятим способом (схемою) водорегулювання на системі за наявних природно-господарських умов.

При цьому, діючі нормативи (ДБН В.2.4-1-99 та ін.) регламентують, що технічні рішення щодо схем та конструкцій основних меліоративних споруд слід приймати на основі порівняння техніко-економічних показників різних варіантів між собою. Проте на практиці, на початковому етапі після проведення необхідних досліджень та вишукувань проектною організацією розробляється якийсь один технічний варіант проекту і в подальшому він просто уточнюється, доповнюється та обґрунтовується його доцільність й ефективність. Хоча остаточний вибір способів водорегулювання й пов'язаних з ними типу, конструкції і схеми роботи меліоративної системи можуть бути виконані тільки на підставі ТЕО оптимальних рішень шляхом порівняння можливих їх варіантів на об'єкті, що розглядається.

Загальними критеріями необхідності, ефективності і доцільності проведення гідромеліорацій є врожай вирощуваних культур та екологічний ефекти від впливу меліоративної системи на оточуюче середовище. Оскільки в складних природно-технічних системах простежується чіткий структурний зв'язок між ефектом, режимом, технологією і конструкцією системи, то в основу вирішення питання з прийняття оптимального технічного та технологічного рішення меліоративних систем має бути покладене співвідношення [4] меліорація проектний будівництво реконструкція

(врожайекологiчний ефект)(природно-мелiоративний режим)

(спосiб, режим, схема водорегулювання)

(тип, конструкцiя, параметри, схема роботи ГМС).

Звідси об'єктивні проектні та технологічні розв'язання (соціально, економічно й екологічно допустимі параметри гідромеліоративних систем та режимів їх роботи) можуть бути отримані тільки шляхом послідовного застосування як базової методології системного підходу і системного аналізу.

Системний підхід при проектуванні меліоративних об'єктів потребує обов'язкового сумісного розгляду усієї сукупності факторів: природних, технічних, сільськогосподарських, економічних, екологічних, соціальних й ін., - в їх взаємозв'язку і взаємозалежності. При цьому обґрунтовується необхідність гідромеліоративних заходів, а також еколого-економічна доцільність їх застосування. Тоді остаточний вибір способів, схем та режимів водорегулювання і, пов'язаних з ними, типів, конструкцій, параметрів та схем роботи ГМС може бути здійснений тільки на підставі ТЕО можливих альтернативних варіантів технічних і технологічних рішень на реальному об'єкті за допомогою інженерних прогнозно-оптимізаційних розрахунків, що виконуються за відповідними моделями.

Головна мета проектування при цьому полягає в пошуку оптимального проектного рішення з вибраної сукупності можливих варіантів. Сутність оптимізації при цьому зводиться до пошуку найкращого (з можливих) проектного рішення, яке дає мінімум (максимум) деякої цільової функції, що характеризує загальну ефективність об'єкта, що проектується. Отже для реалізації оптимізації головною умовою є наявність альтернативних варіантів ПР щодо природно-агро-меліоративних умов реального об'єкта. Саме тому на даному етапі розглядаються всі потенційно можливі варіанти проекту для того, щоб рішення про найбільш оптимальний з них прийняти на завершальній стадії розробки. Це передбачає необхідність визначення технологій водорегулювання відповідних варіантів проектних рішень, найбільш придатних до реалізації.

Для вибору оптимального конструктивного рішення, насамперед, необхідно розробити модель оптимізації типу та конструкції системи.

Відповідно до діючих нормативів [2, 5 та ін.] варіанти технічних і технологічних рішень при проектуванні меліоративних систем можуть бути сформовані за різними напрямками, зокрема, за різними технологіями водорегулювання меліорованих земель й відповідними конструктивними рішеннями щодо меліоративної системи та їх технічних елементів. Адже саме технологія (або способи) водорегулювання визначає необхідні конструктивні рішення щодо характеру регулюючої та провідної мережі, гідротехнічних споруд тощо й, тим самим, тип і конструкцію меліоративної системи в цілому. Їх застосування полягає у періодичному регулюванні відповідним засобом запасів вологи в активному кореневмісному шарі ґрунту шляхом відведення надлишкової (осушення) або подавання певної кількості води при її нестачі (зволоження) для підтримання сприятливих умов розвитку вирощуваних сільськогосподарських культур, з одного боку, і ґрунтоутворюючих процесів з іншого.

При проектуванні меліоративних систем надзвичайно важливо правильно (об'єктивно) визначити їхні параметри та параметри складових технічних елементів (регулюючої мережі, провідної мережі, регулюючих гідротехнічних споруд тощо), які певною мірою зумовлюють вартість системи та її економічну ефективність [6].

Через мінливий характер умов зволоженості ґрунтів та коливання врожайності за стохастично мінливими погодно-кліматичними умовами змінюється об'єм подавання або відведення необхідної кількості води на меліорованих землях. Це зумовило введення в практику гідромеліорацій спеціального показника - розрахункової забезпеченості, який відображає ймовірність того, що визначена кількість води для осушення чи зволоження буде не більша або не менша якоїсь гарантованої величини, на яку розраховані параметри та виробіток продукції системи. Під параметрами маються на увазі величини (площа водорегулювання, розміри регулюючих споруд тощо), які визначають розміри і продуктивність меліоративної системи й, відповідно, затрати на її створення та експлуатацію.

Оптимальний рівень розрахункової забезпеченості, що визначає параметри конструктивних рішень у проекті конкретного об'єкта, може бути визначений, на відміну від прийнятої практики її нормування, на еколого-економічних засадах, з урахуванням наявних природно-агро-меліоративних умов. Отже, виникає потреба у розробці конструктивної моделі оцінки технологій водорегулювання осушуваних земель. Необхідність типової моделі зумовлена тим, що вона є головною умовою реалізації моделі оптимізації ПР взагалі.

Тому за А.Д. Саваренським (1969) уявляється цілком природним і логічним, маючи вихідні умови, спочатку задаватись різними варіантами меліоративних систем з різними параметрами, за тим визначати техніко-економічні показники цих варіантів і, зрештою, вибирати найвигідніший варіант ПР з його розрахунковою забезпеченістю.

В розвиток такого підходу Ц.Є. Мірцхулава (1974) відмічає, що при проектуванні з урахуванням надійності важливо розв'язувати задачу оптимальності технічних рішень, яка може бути зведена до пошуку певної оптимальної надійності, яку можна визначати, виходячи з мінімальних затрат на виконання завдань, поставлених перед системою.

У зв'язку з цим, наявна практика визначення параметрів водогосподарських і меліоративних об'єктів ґрунтується на нормуванні рівня розрахункової забезпеченості шляхом призначення певного проценту її величини, за якою визначаються необхідні розміри технічних елементів і систем в цілому.

Такий фіксований рівень розрахункової забезпеченості діє як закон для всіх об'єктів, незалежно від їх місцезнаходження щодо зональних природно-кліматичних, ґрунтових, господарських та інших важливих факторів, які визначально впливають на ефективність функціонування цих об'єктів. Але, як показують практика і набутий досвід, це призводить, як правило, до невиправданого як з економічної, так і екологічної точок зору перевищення або применшення рівня капіталовкладень та доходу і, таким чином, знижує ефективність реалізації гідромеліоративних заходів, що не відповідає сучасним вимогам щодо необхідності створення й функціонування ГМС на еколого-економічних засадах.

Ключ до вирішення даного питання, на нашу думку, лежить в необхідності заміни традиційного підходу через нормування розрахункової забезпеченості - на її визначення, залежно від конкретних природно-агро-меліоративних умов кожного реального об'єкта. Для цього потрібна система прогнозно-оптимізаційних моделей - система, яка дозволить спрогнозувати та оцінити загальну еколого-економічну ефективність ПР за усім наявним спектром природно-агро-меліоративних умов досліджуваного об'єкта.

Тому, задача вибору оптимальних ПР на еколого-економічних засадах зводиться до вирішення складного й розгалуженого, багатопараметричного й багатофункціонального завдання шляхом застосування методів математичного моделювання з використанням ЕОМ і ґрунтується на створенні комплексу ієрархічно зв'язних моделей оптимізації та відповідного комплексу імітаційних субмоделей з прогнозної оцінки на довготерміновій основі водного і загального природно-меліоративного режимів осушуваних земель, їхнього впливу на врожай вирошуваних сільськогосподарських культур та створюваний екологічний ефект.

Розробити модель водного режиму та технологій водорегулювання. Згідно з [5] для обґрунтування вибору можливих способів регулювання водного режиму та відповідних до них типів й конструкцій ГМС на осушуваних землях виконуються прогнозні водобалансові розрахунки на основі моделі водного режиму та технологій водорегулювання, які, в принципі, дають змогу визначити ефективність застосування прийнятих до розгляду технологій водорегулювання, необхідні поливні та зволожувальні норми, кількість і строки проведення зволожувальних заходів, загальну потребу у воді для зволоження осушуваної території щодо періодів вегетації розрахункової забезпеченості й інші показники, необхідні для розрахунку елементів регулюючої та провідної мережі системи відповідного типу і конструкції.

Модель водного режиму і технологій водорегулювання входить необхідною складовою до комплексу прогнозно-оптимізаційних моделей, і відіграє надзвичайно важливу роль, оскільки сполучає в собі параметри режимів і параметри технологій.

В Україні широко застосовується методики водобалансових розрахунків при зволоженні осушуваних земель, розроблені А.М. Янголем. Вони ґрунтуються на використанні однакової повторюваності опадів і дефіциту вологості повітря, за яким визначається величина сумарного випаровування. За цією методикою прогноз водного режиму осушуваних земель виконується методом водного балансу для умов середнього, сухого і посушливого періодів вегетації розрахункової забезпеченості 50%, 75% і 90%. При цьому розподіл опадів, дефіциту вологості повітря і сумарного випаровування вирощуваних сільськогосподарських культур задавався у нормованому вигляді. В подальшому методика А.М.Янголя удосконалювалась у зв'язку зі зміною виробничих вимог дослідженнями О.В.Скрипника, В.А.Яцика, М.О.Лазарчука й ін. [2]. При цьому, виконаний нами аналіз існуючих методів метеорологічного забезпечення водобалансових розрахунків показав, що вони достатньою мірою не відповідають сучасним вимогам, які пред'являються при проектування та експлуатації меліоративних систем, оскільки не дають розгорнутої характеристики метеорологічних режимів при реалізації кліматологічного прогнозу у вигляді схематизованого типового розподілу основних метеофакторів, що зумовлює необхідність вирішення даного питання.

Модель прогнозної оцінки на довготерміновій основ водного режиму меліорованого поля на осушуваних землях ґрунтується на реалізації “простого” рівняння водного балансу найбільш активного кореневмісного шару ґрунту h=0,5 м. При цьому використовувалися, як правило, потенційно можливі за наявних кліматичних умов, гранично допустимі значення таких складових рівняння водного балансу як сумарне випаровування, вологообмін та витрати води (поливні норми) на зволоження меліорованих земель. Розв'язок рівняння зводився, переважно, до визначення безвідносної (не прив'язаної до способу водорегулювання) величини поливної або зволожувальної норми для зволоження ґрунтів у посушливі періоди вегетації через дефіцит водного балансу (або дефіцит сумарного водоспоживання). Такий підхід не зовсім коректний щодо суті досліджуваного явища, але був загальноприйнятий як цілком припустимий в практичних водобалансових розрахунках.

Виходячи з визначених і загальноприйнятих принципів взаємозв'язку і взаємозалежності між практично усіма складовими рівняння, реалізація моделі вимагає якісно іншого підходу. Необхідно в рамках балансового рівняння виконувати не просте підсумовування жорстко заданих, потенційно можливих (кліматично забезпечених) значень його складових, як це переважно робилося до цієї пори, а, виходячи з визначених закономірностей, розраховувати процес формування водного режиму на основі взаємозв'язку і взаємозумовленості його елементів на границях і в ув'язці з процесом перерозподілу вологи всередині активного шару ґрунту стосовно його вологовмісту та акумулюючої здатності.

Таким чином, підсумовуючи викладене, сучасні підходи до оптимізаційних проектних рішень при будівництві й реконструкції осушувальних систем на еколого-економічний засадах можна представити у вигляді структурної схеми (рис.1).

З рис. 1 видно, що перехід на оптимізаційні методи реалізацій гідромеліоративних заходів у сучасних умовах з урахуванням економічних та екологічних вимог потребує удосконалення самої технології проектування, пов'язаної з переходом на багатоваріантність ПР, розробки та доведення до реалізаційного рівня моделей оптимізації конструктивних рішень на альтернативній основі та моделей водного режиму і технологій водорегулювання осушуваних земель, на які вони спираються.

Застосування визначених підходів дасть змогу у подальшому підвищити обґрунтованість проектних рішень при будівництві та реконструкції осушувальних систем. Реалізація ж його потребує зміни й удосконалення відповідної методології та методики проектування меліоративних об'єктів та доведення їх ефективності до нормативного рівня.

Література

1. Шумаков Б.Б. Мелиорация в ХХ1 веке // Мелиорация и водное хозяйство. 1996. №3. С.4-6.

2. Лазарчук М.О., Рокочинський А.М., Черенков А.В. Проектування осушувальних систем з основами САПР: Практикум. К.: ІСДО, 1994. 408 с.

3. Петренко А.И., Семенков О.И. Основы построения систем автоматизированого проектирования. К.: Вища школа, 1984. 296с.

4. Рокочинский А.Н. Методы оценки, прогноза и оптимизации управления водным режимом осушаемых земель // Экологические проблемы при водных мелиорациях. К., 1996. С.67-76.

5. ДБН. В 2.4-1-99 Меліоративні системи та споруди. К., 1999. 174 с.

6. Рекс Л.М. Системные исследования мелиоративных процессов и систем. М: Изд-во «Аслан», 1995. 192 с.

7. Рокочинський А.М. Принципи обгрунтування розрахункової забезпеченості при проектуванні осушувальних систем // Вісник Рівненського державного технічного університету: Зб. наук. праць. Рівне, 1999. Вип.2. Ч.3. С.173-177.

8. Рокочинский А.Н. Методы оценки, прогноза и оптимизации управления водным режимом осушаемых земель // Экологические проблемы при водных мелиорациях. К., 1996. С.67-76.

9. Технические указания по проектированию на ВМ расчетнх режимов увлажнения сельскохозяйственнх культур на системах двустороннего действия Украинской ССР: НТД 33.63-089-89 / Лазарчук Н.А., Рокочинский А.Н., Черенков А.В., Нагорная В.П., Дорошук А.Н. Ровно, 1990. 53 с.

10. Янголь А.М. Двустороннее регулирование влажности при осушении. М.: Колос, 1970. 135 с.

Размещено на Allbest.ru