Содержание к диссертации
Введение
1. Теоретико-методологический базис стратегического подхода к управлению водными ресурсами бассейна реки 28
1.1. Системные функции и роль водных ресурсов в экономике России: современное состояние и проблемы развития 28
1.2. Институциональные условия и факторы развития водохозяйственного комплекса бассейна реки в стратегическом контексте 56
1.3. Концептуальные основы и методологический базис стратегического управления потенциалом водохозяйственного комплекса бассейна реки 81
2. Экономико-математические модели поддержки принятия решений при распределении водных ресурсов речного бассейна 104
2.1. Экономико-математическая модель согласования интересов экономических субъектов при распределении водных ресурсов 104
2.2. Комплекс экономико-математических моделей многомерного анализа субъектов РФ по показателям социально-экономического развития 130
2.3. Модельный инструментарий механизма приоритетного распределения водных ресурсов речного бассейна 140
2.4. Модель многокритериального выбора оптимальной альтернативы распределения водных ресурсов методом «Электра» 152
3. Имитационное моделирование рационального водопользования в условиях неопределённости ... 161
3.1. Имитационная система прогнозирования резервных объёмов воды в створах водохозяйственных участков бассейна реки 161
3.2. Комплекс программных средств BALANS для прогнозирования величины водного баланса на водохозяйственном участке бассейна реки .. 177
3.3. Анализ подходов к интегральной оценке качества водных ресурсов. 182
3.4. Дифференциальная оценка степени загрязнённости водных источников по гидрохимическим показателям 194
3.5. Модель предварительной оценки степени загрязненности водных объектов с помощью коэффициента комплексности загрязненности воды 212
4. оргАнизационно-экономический механизм стратегического управления потенциалом водо хозяйственного комплекса бассейна реки 224
4.1. Информационно-коммуникационная платформа механизма страте гического управления использованием водных ресурсов бассейна реки. 224
4.2. Математическое обеспечение решения задач текущего и оперативного планирования в механизме управления ВХС речного бассейна 247
4.3. Модель комплексной оценки степени загрязненности воды водных объектов с помощью комбинаторного индекса загрязненности 258
Заключение 285
Список использованных источников 297
- Институциональные условия и факторы развития водохозяйственного комплекса бассейна реки в стратегическом контексте
- Комплекс экономико-математических моделей многомерного анализа субъектов РФ по показателям социально-экономического развития
- Комплекс программных средств BALANS для прогнозирования величины водного баланса на водохозяйственном участке бассейна реки
- Математическое обеспечение решения задач текущего и оперативного планирования в механизме управления ВХС речного бассейна
Институциональные условия и факторы развития водохозяйственного комплекса бассейна реки в стратегическом контексте
Существенно изменившийся геополитический ландшафт, а также продолжающееся экономическое давление западных государств на Россию, уже повлекшие за собой усиление существующих и появление новых проблем, обусловливают необходимость определенной коррекции стратегических решений в жизненно важных секторах экономики. В их числе – система водных ресурсов государства и его территорий. Поскольку региональный уровень является наиболее мобильным в принятии и реализации управленческих решений, проецируемых с государственного уровня, именно в мезоэкономи-ческих системах возможна эффективная реализация ключевой установки Президента России В.В. Путина: «Стратегический курс развития экономики должен основываться на собственных ресурсах, на эффективности их ис-пользования»13. Этим высказыванием еще раз подчеркивается принципиальная важность выявления, целеориентированного использования и последующего наращивания внутреннего ресурсного потенциала регионов для поддержания устойчивости и стабильного роста их экономик, особенно в отношении системообразующих ресурсов, к числу которых относятся водные.
Таким образом, стратегическое управление водохозяйственными комплексами речных бассейнов должно рассматриваться, прежде всего, с позиции достаточной и одновременно рациональной, водообеспеченности отраслей, совместно использующих водные ресурсы конкретного водного бассейна, которая реализуется его водохозяйственной системой.
Очевидная сложность и масштабность решения задач обеспечения устойчивого развития в системе водного хозяйства территории предполагает уточнение методологического базиса и инструментарного аппарата поддержки принятия ориентированных на реализацию нового стратегического курса управленческих решений в этой сфере. Представляется в данном контексте, что для разработки качественной системы управления водными ресурсами региона требуется комбинирование имеющихся подходов к управлению сложно структурированными экономическими системами, к числу которых относится водохозяйственный комплекс (ВХК) бассейна реки. В их числе: процессный подход, который эффективен только в случае его сочетания с системным подходом; являющийся принципиально важным при анализе взаимодействий участников рынка водных ресурсов; ситуационный - необходим для исследования влияния внешней среды и выработки адаптивных моделей поведения субъектов водохозяйственного комплекса; универсальный, требующий конкретизации, то есть сочетания с субстратным, который важен для разработки определенных инструментов поддержки принятия управленческих решений в той или иной ситуации, характеризующей состояние и функционирование водохозяйственного комплекса территории; стратегический, неразрывно связанный с реализующими его программным и проектным подходами к управлению развитием водного потенциала региона.
Перечисленные теории и подходы при их умелой конвергенции в процессе использования при разработке управленческих моделей и механизмов могут быть направлены на выделение конкурентных преимуществ локализованных в региональном пространстве отраслей и комплексов (в данном случае ВХК бассейнов рек), выявление и интерпретацию факторов и условий, которые могут усилить такие преимущества либо оказывать лимитирующее воздействие на развитие данных систем. Следовательно, - на выбор направлений их эффективного функционирования и развития.
Обобщение и систематизация основных положений и концепций наиболее ярких представителей теорий пространственного размещения ре-29 сурсного и производственного потенциалов, управления региональными си стемами и их ресурсно-функциональными подсистемами, которые в своих исследованиях используют перечисленные общеметодологические подходы (И.Тюнена, Дж. Стиглера, В.Лаунхарда, А. Гранберга, В. Данилова Донильяна, А. Новоселова, Ю.Колесникова, Г.Клейнера, В.Княгинина, В.Лексина, О.Пчелинцева, А.Швецова и др.)14, позволяет сделать обоснован ный вывод о том, что «конкурентные преимущества региона, в первую оче редь, формирует именно ресурсно-сырьевая база производственно хозяйственной деятельности, определяющая региональную специализацию, а также пространственное зонирование территории».
Существенно усложнившаяся под воздействием внешних угроз и вызовов макроэкономическая ситуация в России и отдельных регионах предполагает умелую компиляцию перечисленных методологических подходов для формирования научно обоснованных стратегических планов и реализующих их региональных программ и проектов развития ВХК речных бассейнов и всей системы водного хозяйства страны (рис. 1).
Комплекс экономико-математических моделей многомерного анализа субъектов РФ по показателям социально-экономического развития
Из перечисленных факторов, по заключению ученых, сейчас основным, лимитирующим возможность увеличения уловов ценных видов рыб, являются условия естественного воспроизводства.
Для сохранения и поддержания естественного воспроизводства рыбных запасов, восстановления оптимального биогидрологического режима Азовского моря необходим средний многолетний приток речной воды в Азовское море в объеме около 35.5 км3, в т.ч. по р.Дон около 24 км3 в год, включая ры-бохозяйственные, навигационные и санитарные попуски.
В настоящее время при полном обеспечении потребностей в воде рыбоводных предприятий и прудов товарного рыборазведения Правилами использования водных ресурсов Цимлянского водохранилища специальные рыбохозяйственные попуски на Нижнем Дону не предусмотрены.
Развитие рыбохозяйственной отрасли, как правило, рассматривается на базе водных биоресурсов Азовского моря. Между тем в водохранилищах, созданных на Дону и его притоках, весьма успешно развивается рыбохозяй-ственная отрасль на базе промысловых ресурсов, целенаправленно сформированных за период их существования. Конечно, возможности различных водохранилищ неодинаковы. Если популяции промысловых рыб в Цимлянском водохранилище достаточно велики и позволяли вылавливать ежегодно 9-16 тыс. т частиковых рыб (судака, сазана, леща, синца, берша, сома, тарани и др. рыб), то в водохранилищах Манычского каскада уловы гораздо скромнее и по величине, и по качественному составу (несколько сот тонн). Тем не менее, уловы в упомянутых водохранилищах ныне значительно - в десятки раз -выше уловов этих же рыб в Азовском море и на Нижнем Дону. Более того, это чисто российские запасы и уловы в российских внутренних водах.
Между тем, направленное формирование запасов промысловых рыб в водохранилищах невозможно без управления их водным и уровневым режимами. Несмотря на это, ранее с указанных позиций проблемы донских водохранилищ не рассматривались. В современный период, когда Азово-Донской район обезрыбел анадромными мигрантами, представляется целесообразным изучить вариант возможного сочетания интересов рыбного хозяйства Нижнего Дона и донских водохранилищ по отношению к водным ресурсам реки. Важнейшие из таких водохранилищ - это Цимлянское водохранилище и водоемы Манычского каскада.
Гидроэнергетика. Бассейн р.Дон относится к территориям, бедным гидроэнергоресурсами. Гидроэнергетика представлена Цимлянской ГЭС, работающей в энергетической системе Ростовской области, в операционной зоне Филиала ОАО «СО ЕЭС» Ростовское РДУ.
Цимлянская гидроэлектростанция установленной мощностью 211,5 МВт выполняет в Единой энергетической системе России следующие функции: генерация активной и реактивной мощности и выработка электроэнергии; - участие в суточном и недельном регулировании графиков нагрузки; -участие в оперативном вторичном регулировании частоты и перето ков активной мощности; - обеспечение аварийного резерва мощности в энергосистеме. Сезонный режим загрузки Цимлянской ГЭС подчинен интересам неэнергетических водопользователей и поддержания санитарной проточности р.Дон. Планирование суточных выработок электроэнергии Цимлянской ГЭС, диспетчерских графиков нагрузки Цимлянской ГЭС, оперативно--диспетчерское управление Цимлянской ГЭС осуществляет Филиал ОАО «СО ЕЭС» Ростовское РДУ, в рамках режима водопользования, заданного Донским бассейновым водным управлением Федерального агентства водных ресурсов с учетом схемно-режимных условий энергосистемы.
Цимлянская ГЭС является пиковой электростанцией, регулирующей баланс мощности в Ростовской энергосистеме. В условиях избытка генерирующих мощностей в энергосистеме в ночной период, в целях обеспечения надежной и безаварийной работы энергосистемы, производится разгрузка Цимлянской ГЭС как наиболее маневренной электростанции. По результатам анализа суточных графиков нагрузки Цимлянской ГЭС с 2006 года, в период навигационных попусков, при среднесуточном попуске менее 500 м3/с, в ночное время с 00:00 по 06:00 часов осуществляется минимально необходимый расход от 10 м3/с до 15 м3/с по условиям рыбопропуска
В рамках сформировавшейся институциональной среды осуществления политики рационального водопользования и эффективного водоснабжения перечисленных (и других возможных в других регионах страны) потребите лей воды региона функции государственного управления водными ресурсами Министерство природных ресурсов в бассейнах рек реализует через систему бассейновых управлений. В бассейне р. Дон координирует водохозяйствен ную деятельность Донское бассейновое водохозяйственное управление (ДБВУ), в функции которого входит: 1. Управление стратегическим развитием ВХС посредством решения задач прогнозирования развития ВХС и перспективного планирования комплексного использования и охраны водных ресурсов. 2. Текущее и оперативное планирование, что предполагает текущее распределение водных ресурсов между водопользователями, планирование работы гидросооружений, изменения лимитов на водопользование, расчет водохозяйственных балансов, мониторинг качества вод. 3. Оперативное управление, предполагающее разработку графиков управления режимами водохранилищ, оптимальных графиков использования воды и определение режим ситуационного функционирования ВХС в чрезвычайных ситуациях. 4. Учет, анализ и контроль за соблюдением условий водопользования, объемами используемой воды и сточных вод, оценка состояния гидротехнических сооружений, анализ соответствия фактических и плановых показателей использования водных ресурсов. Учитывая перечисленные ранее и отмеченные в данном разделе особенности водохозяйственной системы бассейна реки Дон - высокую степень сложности ВХС (большое количество взаимодействующих элементов, противоречивость требований к использованию водных ресурсов и т.д.), случайность воздействий внешней среды, многолетнюю дефицитность водохозяйственного баланса, снижение качества воды и вместе с тем одновременную необходимость учета изменяющейся системы приоритетов экономики и общества в водопользовании, необходимо специально акцентировать, что эффективность принимаемых решений может быть повышена исключительно при условии совершенствования существующей системы управления водохозяйственной системой региона на основе использования современных математических моделей и методов в составе информационных советующих систем.
Комплекс программных средств BALANS для прогнозирования величины водного баланса на водохозяйственном участке бассейна реки
В современной литературе известны три вида приоритетных механизмов при распределении ресурсов в соответствии с заявками 106: - прямые приоритеты, при которых функция приоритетов \{z), завися щая от поданных заявок, является возрастающей — (z) 0; dz - обратные приоритеты, при которых функция приоритетов \{z), зави сящая от поданных заявок, является убывающей — (z) 0; dz - абсолютные приоритеты, при которых функция приоритетов \{z) не зависит от поданных заявок — (z) = 0. В работе используется сочетание прямого и обратного механизма приоритетного распределения заявок, при котором количество водных ресурсов отводится субъектам РФ бассейна реки Дон в соответствии с заявками при использовании коэффициентов, определяемых на базе приоритетов и устанавливаемых по показателям социально-экономического развития.
Механизм приоритетного распределения водных ресурсов рассматривается в данной работе как неантагонистическая бескоалиционная игра, в которой игроки пытаются максимизировать значения своих функций выигрышей. Таким образом, распределение водных ресурсов среди субъектов РФ бассейна реки Дон сведено к задаче принятия решений в конфликтных ситуациях.
Как известно, в теории конфликтов107 к оптимальным стратегиям относятся такие стратегии, которые удовлетворяют условиям всех игроков игры.
Такая ситуация в теории игр называется равновесной, при которой ни одному игроку не выгодно в одиночку отклоняться от равновесной стратегии. Рассмотрим известные в теории игр виды равновесий. 1. Равновесие в осторожных стратегиях. Это равновесие обуславливается выбором стратегий игры, при которой игроки достигают гарантированного результата108. 2. Равновесие в доминирующих стратегиях. При достижении такого равновесия игроки достигают максимального гарантированного результата109. При этом оптимальные стратегии игроков доминируют над стратегиями других игроков. 3. Равновесие Нэша. При равновесии Нэша ни одному из игроков в игре п лиц не выгодно в одностороннем порядке изменить свою стратегию при неизменной стратегии других игроков. При этом величина выигрыша игрока зависит не только от выбираемой им стратегии, но и от стратегий, которые будут выбраны другими игроками. Значение функции выигрыша игрока /в точке z , являющейся равновесной по Нэшу стратегией, удовлетворяет условию v(z ) v(zy,z _y), т.е. его выигрыш только уменьшится при изменении стратегии с z на z,. Изменение своей стратегии в состоянии игры, находящейся в равновесии по Нэшу, не выгодно ни одному игроку. Нэшем было доказано, что любая игра Нэша имеет хотя бы одно решение в смешанных стратегиях110. 4. Оптимальность по Парето (pfrenj optimum). Под этим равновесием понимается такое состояние системы, при котором значение любой компоненты векторного критерия, характеризующего систему, не может быть улучшено без ухудшения других компонентов. При распределении ресурсов оптимум по Парето означает, что любое его изменение наряду с улучшением благосостояния одного субъекта приводит к ухудшению благосостояния другого111. 5. Равновесие Штакельберга. Теоретико-игровая модель Штакельберга описывает поведение рынка олигополистического типа в условиях информационной асимметрии (information asymmetry), т.е. когда информация о состоянии рынка распределена неравномерно между её участниками112. Модель описывает функционирование рынка в условиях неполной (несовершенной) информации. Штакельберг формально представил поведение экономических агентов в виде динамической игры с полной информацией, в которой существуют агенты с лидирующим положением при выборе своей стратегии. Стратегии остальных игроков выбираются во вторую очередь, после лидеров. В равновесной ситуации по Штакельбергу, подобно равновесию по Нэшу, ни одному из игроков не выгодно изменить свою стратегию в одностороннем порядке. Таким образом, равновесие по Штакельбергу можно представить в виде последовательности игр с равновесием по Нэшу, в которых имеется временной лаг при выборе стратегии. Благодаря временному лагу, равновесие по Штакельбергу существует в любой игре.
В данной работе для принятия решений по дележу ограниченного количества водных ресурсов бассейна реки Дон между субъектами РФ предложена модель равновесия по Нэшу-Штакельбергу в процессе приоритетного механизма распределения. Процедура ранжирования регионов РФ (или математически полученных кластеров регионов) по показателям социально-экономического развития будет рассмотрена в разделе 2.2 настоящего исследования. Для определения объёма водных ресурсов, имеющегося в распоря жении управляющего органа, автором предложена имитационная модель, описание которой будет приведено в главе 3 настоящей диссертационной работы.
Разработанная автором модель согласования интересов при распределении водных ресурсов представлена последовательностью игровых моделей. На первом этапе множество субъектов РФ бассейна реки Дон декомпозируется на кластеры близких между собой экономических агентов, среди которых выбираются кластеры высшего и низшего уровня. Уровни кластеров выбираются на базе применения моделей, результаты создания которых изложенных в разделе 2.2 диссертационной работы. В нем представлены следующие модели: KL - модель кластерного анализа; Mj - многокритериального выбора оптимальной альтернативы на основе векторных оценок Ut =(u1,ui2,...,uik)методом построения функции принадлежности; М2 - многокритериального выбора оптимальной альтернативы методом сравнения с эталоном; М3 - многокритериального выбора оптимальной альтернативы методом «Электра». Затем рассматривается игровая модель двух игроков: управляющего органа, распределяющего водные ресурсы, и множества субъектов РФ, именуемых агентами и разбитых на два уровня - высший и низший. Для управляющего органа, т.е. первого игрока, а также множества агентов, т.е. второго игрока, предоставляется возможность выбора двух стратегии.
Математическое обеспечение решения задач текущего и оперативного планирования в механизме управления ВХС речного бассейна
Вода является важнейшим стратегическим ресурсом, необходимым для развития экономики любой страны, и нехватка пресной воды является фактором, существенно замедляющим экономический рост. В настоящее время наблюдается значительное увеличение объёма потребления пресной воды, связанное с ростом народонаселения, а также растущими потребностями в водных ресурсах всех без исключения отраслей экономики. Связанное с ростом численности населения увеличение объёма потребления воды порождается необходимостью решения проблемы повышения уровня благосостояния и качества жизни граждан, требующей соответствующего коммунально-бытового водоснабжения. Удовлетворение потребности в продовольствии обусловливает необходимость применения технологии орошаемого земледелия постоянное расширение его масштабов. При этом подавляющая часть забора пресной воды из поверхностных водных объектов приходится на промышленное водоснабжение. К числу водоемких отраслей относятся текстильная промышленность (например, производство хлопчатобумажных, шелковых и других видов тканей), теплоэлектроэнергетика, отрасли цветной и черной металлургии и т.д. Активизация инновационной деятельности, связанная с внедрением результатов научно-технического прогресса, обусловливает появление и развитие водоёмких отраслей экономики, среди которых в анализируемом контексте особую роль следует отвести атомной энергетике, отраслям химической промышленности, развитие которых сопряжено с интенсивным использованием водных ресурсов.
В условиях отсутствия свободных водных ресурсов и вместе с тем планируемого увеличения водопотребления в соответствии с принятой Стратегией социально-экономического развития до 2020 года, особенно остро стоит проблема гарантированного обеспечения потребностей населения и отраслей экономики водными ресурсами наряду с повышением рациональности их использования, снижения водоёмкости производства промышленной и сельскохозяйственной продукции и непроизводительных потерь.
Проблема обеспечения потребителей водными ресурсами требует поиска новых путей решения при рациональном распределении водных ресурсов между потребителями посредством установления лимитов забора из водного объекта, определяемых в соответствии с водохозяйственными балансами по водохозяйственным участкам в различных условиях водности.
В связи с этим, водохозяйственная система нуждается в создании и использовании систем управления, включающих в свой состав экономико-математические модели поддержки принятия управленческих решений, позволяющие дать количественную оценку их последствий в условиях всевозможных изменений, происходящих во внешней среде.
Результаты анализа изменения объёмов водных ресурсов на любом водохозяйственном участке бассейна реки Дон показали, что водные ресурсы, являясь элементом всех отраслей экономики, наиболее чувствительны к изменениям как человеческой деятельности, связанным с ростом народонаселения, использованием земель, появлением и развитием новых технологий и др., так и к изменениям природных условий. В этой связи все решения по управлению водными ресурсами принимаются руководителями водных хозяйств в условиях неопределённости. Эти обстоятельства диктуют необходимость создания и использования для принятия управленческих решений экономико-математических моделей, позволяющих реагировать на случайно изменяющиеся условия водности.
В предыдущем разделе работы изложены результаты построения экономико-математической модели приоритетного удовлетворения заявок субъектов РФ на потребление водных ресурсов бассейна реки Дон исходя из показателей социально-экономического развития. Предложенная теоретико-игровая модель согласования интересов хозяйствующих субъектов при распределении ограниченного объёма водных ресурсов, построенная на базе достижения равновесия по Нэшу-Штакельбергу, использует в качестве исходных данных прогнозируемый объём водных ресурсов, распределяемый между потребителями на конкретном водохозяйственном участке. В связи с этим в данном разделе решается задача создания экономико-математической модели определения водохозяйственного баланса. Учитывая обстоятельства случайного характера изменения приходной и расходной частей водохозяйственного баланса, задача построения модели решается в классе задач имитационного моделирования в условиях стохастической неопределённости.
Как отмечалось, в процессе достижения равновесия по Нэшу-Штакельбергу осуществляется многокритериальное ранжирование субъектов по показателям социально-экономического развития. Но по мере увеличения потребности в водных ресурсах наблюдается не только истощение их природных источников, но и изменение качества воды, её загрязнение в водных объектах. Проблема ухудшения качества воды является не менее важной, чем проблема её распределения между хозяйствующими субъектами, поскольку наряду с конкретно экономическими проблемами она непосредственно связана с проблемой экологической безопасности.
С учетом этого обстоятельства в данном разделе в рамках бассейнового подхода к управлению ВХС региона ставится и решается задача интегральной оценки качества водных ресурсов в пределах водохозяйственных участков в условиях неизмеримой неопределённости, когда составляющие интегральный показатель характеристики заданы не только количественными, но и качественно выраженными значениями.
Автором предложен отличный от существующих подход к выполнению водохозяйственных расчётов, определяющих соотношение располагаемых водных ресурсов (объемов поверхностных и подземных вод, доступных для использования) и расчетного водопотребления для конкретного водохозяйственного участка. В рамках этого подхода расчёт объёмов располагаемых водных ресурсов для конкретного участка рассматривается в классе задач со случайно изменяющимися входными параметрами, составляющими приходную и расходную части водохозяйственного баланса.