CC BY
5
УДК 504
DOI: 10.24412/1728-323X-2024-5-85-89
СОЦИО-ЭКОЛОГО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ВЫБОР МАРШРУТА НЕФТЕПРОВОДА
И. Ю. Новоселова, д. э. н, профессор, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации, [email protected], г. Москва, Россия
Аннотация. Рассматривается проблема строительства нефтепроводов в арктической зоне, когда необходимо при проектировании маршрута следует в качестве критериев оптимальности использовать не только стоимость строительства и затраты на транспортировку нефти, но и ущерб окружающей среде, а также социальную нагрузку, включающую ухудшение условий традиционной жизнедеятельности местного населения. Для оценки негативного варианта каждого альтернативного звена нефтепровода проводится этнологическая экспедиция, позволяющая получить мнения представителей групп местного населения на основе анкетирования. В работе предложена аддитивная свертка указанных трех критериев, на основе которой будет проведен выбор компромиссного варианта маршрута. Анализ различных алгоритмов поиска оптимального маршрута позволил выбрать наиболее эффективный вычислительный метод Шимбелла—Оттермана. Приведен подробный пошаговый алгоритм реализации выбранного метода, позволяющий осуществить практические расчеты. Приведенные расчеты дают возможность оценить найденный компромиссный вариант маршрута нефтепровода.
Abstract. The problem of construction of oil pipelines in the Arctic zone is considered, when it is necessary to use not only the cost of construction and the cost of oil transportation as criteria of optimality when designing the route, but also the damage to the environment, as well as the social burden, including the deterioration of the conditions of traditional life of the local population. To assess the negative variant of each alternative oil pipeline link, an ethnological expedition is conducted to obtain opinions of representatives of local population groups based on questionnaires. The paper proposes an additive convolution of the above three criteria based on which the selection of a compromise route alternative will be carried out. The analysis of various algorithms for finding the optimal route allowed us to choose the most efficient computational method of Shimbell-Otterman. A detailed step-by-step algorithm for the implementation of the selected method is given, which allows us to carry out practical calculations. These calculations make it possible to evaluate the found compromise variant of the oil pipeline route.
Ключевые слова: арктическая зона, критерии поиска, маршрут нефтепровода, ущерб окружающей среде, затраты на транспортировку, местное население, традиционная жизнедеятельность, компромиссный вариант.
Keywords: Arctic zone, search criteria, oil pipeline route, environmental damage, transportation costs, local population, traditional livelihood, compromise option.
Введение.
Постановка задачи
В Арктической зоне России проводится не имеющее аналогов хозяйственное строительство, направленное на разведку и добычу полезных ископаемых (нефти, природного газа, угля, редкоземельных материалов и др.), развитию Северного морского пути, реализации множества проектов транспортной, энергетической и социальной инфраструктуры [1, 2]. Вектор комплексного развития арктических территорий развития закреплен в «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» (2020 г.). Освоение арктических регионов включает реализацию широкого комплекса проектов, направленных на социально-экономическое развитие Арктики [3]. Транспортировка полезных ископаемых реализуется с помощью нефте- и газопроводов, по зимнику, железной дороге, речными и морскими путями. При этом разные методы транспортировки приводят к значительной нагрузке на окружающую природную среду, могут приводить к ее загрязнению, оказывают негативное влияние на животных и растительность. Кроме того, коренное население испытывает значи-
тельные неудобства при прокладке маршрутов, проведении трубопроводов, автомобильных или железных дорог вследствие нарушения традиционной жизнедеятельности — проживания, миграции стад оленей, вылова рыбы и охоты, ухудшение качества питьевой воды, а также негативного воздействия на культовые сооружения и территории. Таким образом, нарушается традиционный уклад жизни населения региона [4, 5].
Примеры зарубежной практики недропользования демонстрируют появление активных про-тестных движений при строительстве нефте- и газопроводов. Так, при строительстве нефтепровода Trans Mountain от месторождений в Канаде (провинции Альберты) до портов, расположенных на тихоокеанского побережье, маршрут предложено провести по территории, на которой находятся культовые сооружения коренных жителей. В результате представители народов Северной Америки подписали договор о совместной борьбе против транспортировки нефти через данные территории, пикеты протестующих появились около Белого дома, демонстрации прошли по всей стране.
При обосновании проектов добычи и транспортировки полезных ископаемых необходимо
учитывать уязвимость арктических территории с точки зрения окружающей природной среды, влияние проектов на среду обитания коренных народов региона с учетом вероятного вреда населению в зоне ответственности добывающих и нефтесервисных компаний [6]. Отсюда возникает чрезвычайно актуальная задача — формирование маршрута прокладки нефтепровода с учетом экономического, экологического и социального аспектов, т. е. таким образом, чтобы минимизировать затраты на транспортировку нефти; сократить оценку ущерба, который может быть причинен окружающей среде в зоне прохождения нефтепровода; минимизировать негативное влияние на традиционную жизнедеятельность коренных народов региона в зоне ответственности нефтедобывающей и нефтесервисной компаний.
Метод решения задачи
В основе поиска маршрута нефтепровода целесообразно рассматривать его отдельные фрагменты, регламентируемые альтернативным вариантами, т. е. до пункта, в котором рассматривается ветвление маршрута по альтернативным путям. На рисунке 1 показан фрагмент маршрута от пункта г до пункта у, в котором начинаются два альтернативных варианта прокладки нефтепровода.
На основе инженерно-геологических оценок формируется схема, объединяющая все альтернативные варианты прокладки нефтепроводов, которая математически представляет ориентированный граф в с одной начальной и одной конечной вершинами и не имеющий замкнутых контуров (циклов). Для решения поставленной задачи каждому фрагменту маршрута данного ориентированного графа следует поставить в соответствие комплексную оценку, состоящую из трех критериев: затрат на транспортировку нефти; ущерба, который может быть причинен окружающей среде в зоне прохождения нефтепровода; негативного влияния на традиционную жизнедеятельность коренных народов региона. Эти критерии оцениваются различными методами, имеют разные единицы измерения и диапазон изменения. Величина затрат на транспортировку нефти определяется при разработке технико-экономической
части проекта и оценивается в стоимостном выражении (руб./т). Оценка ущерба окружающей среде оценивается как сумма затрат на восстановление загрязненных сельскохозяйственных земельных угодий; компенсацию потерь лесных насаждений и др. Оценка негативного влияния нефтепровода на традиционную жизнедеятельность коренных народов региона может быть получена на основе этнологической экспертизы [7—9], в ходе которой проводится экспертная оценка представителей различных групп населения (оленеводов, охотников, рыболовов, чумра-ботниц, молодежи, пожилых людей и т. д.). Таким образом, будут получены оценки:
а(', у) — удельные затраты на транспортировку нефти, руб./т;
6(/, у) — ущерб окружающей среде в зоне прохождения нефтепровода, млн руб.;
0(1, у) — оценка негативного влияния на традиционную жизнедеятельность коренных народов региона, баллы.
Все эти критерии направлены на минимизацию, но для приведения к сопоставимому виду целесообразно воспользоваться следующим преобразованием:
а = ( Ц) . Ь =
а( 1) т ах { а.. .. } ; У)
Ь(.К У)
тях {а(I уЛ ' (■>) тах {Ь( г '
(г, у) ев (1'У) (г, ;)е6 (1'у)
с( и)
с( Ц)
тах {с(г -Л
(г, у) ев (1'у)
(1)
Полученные оценки будут находиться в пределах от нуля до единицы, что позволит проводить с ними любые операции сравнения, в том числе определить суммарную оценку (аддитивную свертку) по трем используемым критериям для каждого звена маршрута (г, у) е в и получить комплексную оценку по формуле:
е(г, У) = а(и) + Ь(и) + с(и).
(2)
Рис. 1. Особенности выделения фрагмента маршрута нефтепровода
Воспользовавшись найденными оценками (2), необходимо найти вариант маршрута нефтепровода Ь = {1, ..., п} (начальное событие графа альтернатив строительства газопровода равно единице, а конечное — п), при котором будет обеспечено минимальное суммарное значение оценок е(г, ) звеньев, из которых сформирован найденный м аршрут [10]. Поиск такого м аршрута м ожет быть осуществлен с помощью следующих методов: Флойда-Уоршелла; Беллмана-Форда; Дейкс-тры; Йена; Ли (волновой); Джонсона; Шимбел-ла-Оттермана [11, 12]. В алгоритмах первых четырех методов используется значительное число логических операций, что приводит к большим
временным затратам при решении поставленной задачи. Метод Шимбелла-Оттермана имеет достаточно простой алгоритм, основанный на формировании матриц маршрутов, поэтому именно этот м етод был выбран для формирования м арш-рута нефтепровода:
Шаг 1. Расчет элементов матрицы смежности А, в которой при наличии звена (г, ]) указываются оценки суммы всех трех критериев, т. е. е(/, }):
Ац
_ = J е( ij)' V( ij) е G;
0, в противном случае.
(3)
Шаг 2. Матрица А дублируется в матрице В, а число звеньев в маршруте устанавливается равным единице, т. е. р = 1.
Шаг 3. Определяются затраты для всех путей, состоящих из р + 1 звеньев, которые отражаются в матрице Ср. Элементы матрицы Ср определяются по формуле:
СР = Cij
min {akj + bik\akj + bik> 0}
k = 1, 2,..., n
для akj > 0 л bik > 0; (4)
0, если все akj + b^ = 0.
Шаг 4. Матрица трассировки Тр показывает предшествующую вершину для каждой достигаемой вершины в столбцах этой матрицы по правилу:
T? =
k исходя из j k=min {akj + bik\ akj + bik > 0 } для akj > 0 л bik > 0; (5)
0, если все akj + b^ = 0.
Шаг 5. Проверка: если матрица Ср состоит из нулей — переход к шагу 7. В противном случае — к шагу 6.
Шаг 6. Матрица А дублируется в матрице В; количество звеньев в маршруте увеличивается на единицу (р = р + 1). Переход к шагу 3.
Шаг 7. Поиск минимальных суммарных затрат для найденного маршрута нефтепровода по формуле:
Fp* = min {C?n}.
р l = 1,2,..., p 1П
(6)
Приведенный алгоритм был реализован в среде VBA-Excel и позволил успешно решать задачи средней размерности (до 5000 звеньев в альтернативных маршрутах нефтепровода). Важно отметить, что при решении данной задачи с оценками e(i, j) было получено компромиссное решение, которое приводит к некоторому ухудшению от минимальных суммарных оценок маршрутов нефтепровода, полученных при расчете по каждому из трех рассматриваемых критериев в отдельности.
Апробация разработанного подхода
В качестве примера рассматриваются альтернативные маршруты нефтепровода, сформированные из 28 звеньев, на основе которых построен граф альтернативных маршрутов, которые могут быть использованы для строительства нефтепровода (рис. 2). Исходя из найденных в процессе полевых исследований альтернативные, маршруты проходят ч ерез 10 пунктов, привязанных к определенным ориентирам на местности, причем пункт 1 является начальным, а пункт 10 — конечным для проектируемого нефтепровода. Из приведенного на рисунке 2 графа видно значительное число вариантов прохождения маршрута нефтепровода: вариант 1 состоит из трех звеньев (1, 2), (2, 5) и (5, 10), т. е. L = {1, 2, 5, 10}; вариант 2 состоит из четырех звеньев, т. е. L = {1, 2, 6, 8, 10}; вариант 3 — из шести звеньев, т. е. L = {1, 2, 4, 5, 6, 8, 10} и т. д.
Для анализа такой сложной топологии и определения маршрута с минимальной суммарной оценкой была использована авторская программа, реализующая метод Шимбелла—Оттермана с заданными оценками на дугах графа. Было проведено четыре расчета: расчет № 1 по суммарно -му критерию e(i, j); расчеты № 2—4 по каждому из
Шаг 8. Оптимальный маршрут нефтепровода Ь* = {1, ..., п} формируется, исходя из матриц трассировки. Завершение расчета.
Рис. 2. Граф альтернативных маршрутов транспортировки
Таблица 1
Результаты поиска маршрутов по различным критериям
Номер расчета Используемые для поиска маршрута критерии Найденные маршруты транспортировки Значения масштабированных критериев
Затраты на транспортировку Ущерб окружающей среде Социальный ущерб
1 Минимизация суммы критериев еу L1 = {1, 3, 7, 9, 10} 0,700 0,880 0,543
2 Минимизация затрат а( у L2 = {1, 4, 8, 9, 10} 0,500 1,400 1,014
3 Минимизация ущерба окружающей среде Ь( у L3 = {1, 3, 5, 8, 10} 1,050 0,760 1,071
4 Минимизация социального ущерба с(у L4 = {1, 3, 10} 1,167 1,120 0,129
критериев в отдельности, т. е. по затратам а^у , ущербу окружающей среде Ь(^) и негативному воздействию на среду обитания и традиционную жизнедеятельность местного населения 0(, у). Для каждого из четырех найденных маршрутов были рассчитаны значения всех трех критериев (табл. 1). Все четыре найденных маршрута нефтепровода различны, причем маршруты № 1—4 состоят из четырех звеньев, а маршрут № 5 — из двух. Рассмотрим расчет № 2, который проводился по критерию минимизации затрат на транспортировку нефти. Действительно, значение суммарных затрат для этого маршрута минимальны по сравнению с другими маршрутами и равны 0,5. Минимальная величина ущерба окружающей среды (расчет № 3) составила 0,76; минимальная величина социального ущерба (расчет № 5) оказалась равной 0,129.
При проведении расчетов по критерию, образованному как сумма всех трех критериев (расчет № 1), значения критериев ухудшаются по сравнению с их оптимальными значениями, но при этом оказываются лучше, чем худшие значения, приведенные в таблице 1. Найденный вариант маршрута нефтепровода обеспечивает компромиссные значения критериев.
Найденный вариант компромисса между рассматриваемыми критериями можно сделать регулируемым, т. е. учитывать приоритет критериев с помощью коэффициентов важности: а — для первого критерия, р — для второго; у — для третьего. Тогда формула (2) расчета суммарного кри-
терия для каждого звена маршрута (г, у) е в будет иметь вид:
е(г, У) = а а( и у) + Р Ь( и у) с( и у),
при условии а + р + у = 1. (2)
Это позволит учитывать различную важность рассматриваемых критериев, что приведет к определению иного маршрута прокладки нефтепровода.
Заключение
Разработанный подход позволяет осуществить поиск прокладки маршрута нефтепровода по различным критериям, а также с учетом их приоритетности. Результатом такого поиска является определение компромиссного для используемых критериев варианта. Предложенный подход был проверен на реальных данных средней размерности (до 1500 звеньев, которые могут входить в искомый м аршрут). Расчеты продемонстрировали высокую скорость поиска маршрутов, что позволяет рекомендовать данный алгоритм для решения подобных задач в пределах указанной размерности. Результаты поиска м аршрутов в разработанном программном комплексе были визуализированы и связаны с картой местности.
Следует отметить, что применение раскрытого в статье подхода возможно для проектирования любых трубопроводов (газопроводов, трубопроводов нефтепродуктов и т. д.), а также проектировании наземных автомобильных и железнодорожных маршрутов.
Библиографический список
1. Лексин В. Н., Порфирьев Б. Н. Другая Арктика: опыт системной диагностики // Проблемы прогнозирования. — 2022. — Т. 1. — № 190. — С. 34—44. DOI: 10.47711/0868-6351-190-34-44
2. Бурцева И. Г., Тихонова Т. В., Бурцев И. Н. Экономическая оценка минерально-сырьевого потенциала арктических территорий Республики Коми // Арктика: экология и экономика. — 2022. — Т. 12. — № 1. — С. 87—98. DOI: 10.25283/ 2223-4594-2022-1-87-98
3. Исаев А. П., Фомина И. А. Приоритетные проекты развития зоны Арктики. Восстановление Северного морского пути // Управленческое консультирование. — 2018. — № 8. — С. 96—105. DOI: 10.22394/1726-1139-2018-8-96-105
4. Potravnaya E. V. Social Problems of Industrial Development of the Arctic Territories. Journal of Siberian Federal University // Humanities & Social Sciences. 2021. 14 (7): 1008—1017. DOI: 10.17516/1997-1370-0780.
5. Потравная Е. Взаимодействие бизнеса и коренных народов Севера: чего ждет население после аварии в Норильске // ЭКО. — 2021. - № 7. - С. 19-39. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2021-7-19-39.
6. Слепцов А. Н. Родовая община коренных малочисленных народов Севера в системе управления традиционным природопользованием // Арктика: экология и экономика. — 2021. — Т. 11. — № 4. — С. 568—5811. DOI: 10.25283/ 2223-4594-2021-4-568-581
7. Самсонова И. В., Потравный И. М., Павлова М. Оценка убытков, причиненных коренным малочисленным народам Севера в Таймырском Долгано-Ненецком районе Красноярского края вследствие разлива дизельного топлива на ТЭЦ-3 в Норильске // Арктика: экология и экономика. — 2021. — Т. 11. — № 2. — С. 254—265. DOI: 10.25283/22234594-2021-2-254-265
8. Novoselov A., Potravny I., Novoselova I., Gassiy V. Sustainable Development of the Arctic Indigenous Communities: The Approach to Projects Optimization of Mining Company // Sustainability. 2020. 12 (19), 7963. DOI: 10.3390/su12197963
9. Потравная Е. В., Кривошапкина О. А. Оценка приоритетности компенсационных проектов различными группами населения при промышленном освоении Арктики // Вестник университета. — 2022. — № 1. — С. 176—188. DOI: 10.26425/1816-4277-2022-1-175-187
10. Новоселов А. Л., Новоселова И. Ю., Желтенков А. В. Разработка эффективного маршрута газопровода с учетом социально-культурных факторов // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Экономика. — 2018. — № 3. — С. 94—103. DOI: 10.18384/2310-6646-2018-3-94-103
11. Otterman J. Matrix Multiplication in Search for Alternate Routes // Electrónica Com. IT. 1963. Vol. 38. No. 2. P. 156—164.
12. Shimbel A. Structural Parameters of Communication networks // Bulletin of Mathematical Biophysics. 1953. Vol. 15. No. 4. P. 501—507.
SOCIO-ECOLOGICAL-ECONOMIC SELECTION OF THE OIL PIPELINE ROUTE
I. Yu. Novoselova, Ph. D. (Economics), Dr. Habil, Professor, Financial University under the Government of the Russian Federation, [email protected], Moscow, Russia
References
1. Leksin V. N., Porfiryev B. N. Drugaya Arktika: opyt sistemnoy diagnostiki [Another Arctic: experience of system diagnostics]. Problems of forecasting. 2022. T. 1. No. 190. P. 3434-44. DOI: 10.47711/0868-6351-190-34-44 [in Russian].
2. Burtseva, I. G., Tikhonova, T. V., Burtsev, I. N. Ékonomiceskaâ ocenka mineral'no-syr'evogo potenciala arkticeskih territory Respubliki Komi [Economic assessment of mineral resource potential of the Komi Republic Arctic territories]. Arctic: Ecology and Economy. 2022. № 12. P. 87-98. DOI: 10.25283/2223-4594-2022-1-87-98 [in Russian].
3. Isaev A. P., Fomina I. A. Prioritetnyye proyekty razvitiya zony Arktiki. Vosstanovleniye Severnogo morskogo puti [Priority projects for the development of the Arctic zone. Restoration of the Northern Sea Route]. Management consulting. 2018. No. 8. P. 96-105. DOI: 10.22394/1726-1139-2018-8-96-105 [in Russian].
4. Potravnaya, E. V. Social Problems of Industrial Development of the Arctic Territories. Journal of Siberian Federal University. Humanities & Social Sciences. 2021. 14 (7): 1008-1017. DOI: 10.17516/1997-1370-0780.
5. Potravnaya, E. Vzaimodeystviye biznesa i korennykh narodov Severa: chego zhdet naseleniye posle avarii v Noril'ske [Interaction between business and indigenous peoples of the North: what the population expects after the accident in Norilsk]. ECO. 2021. No. 7. P. 19-39. DOI: 10.30680/ECO0131-7652-2021-7-19-39 [in Russian].
6. Sleptsov A. N. Rodovaya obshchina korennykh malochislennykh narodov Severa v sisteme upravleniya traditsionnym priro-dopol'zovaniyem [The tribal community of the indigenous peoples of the North in the system of traditional nature management]. Arctic: Ecology and Economy. 2021. № 11. P. 568-581. DOI: 10.25283/2223-4594-2021-4-568-581 [In Russian].
7. Samsonova I. V., Potravny I. M., Pavlova M. Otsenka ubytkov, prichinennykh korennym malochislennym narodam Severa v Taymyrskom Dolgano-Nenetskom rayone Krasnoyarskogo kraya vsledstviye razliva dizel'nogo topliva na TETS-3 v Noril'ske [Assessment of losses caused to indigenous peoples of the North in the Taimyr Dolgano-Nenets region of the Krasnoyarsk Territory due to a diesel fuel spill at CHPP-3 in Norilsk]. Arctic: ecology and economics. 2021. T. 11. No. 2. P. 254-265. DOI: 10.25283/2223-4594-2021-2-254-265 [In Russian].
8. Novoselov A., Potravny I., Novoselova I., Gassiy V. Sustainable Development of the Arctic Indigenous Communities: The Approach to Projects Optimization of Mining Company. Sustainability. 2020. 12 (19). 7963. DOI: 10.3390/su12197963
9. Potravnaya E. V., Krivoshapkina O. A. Assessing the priority of compensation projects by various population groups during the industrial development of the Arctic. University Bulletin. 2022. No. 1. P. 176-188. DOI: 10.26425/1816-4277-2022-1175-187 [In Russian].
10. Novoselov A. L., Novoselova I. Y., Zheltenkov A. V. Razrabotka effektivnogo marshruta gazoprovoda s uchotom sotsial'no-kul'turnykh faktorov [Optimal Design of a Gas Transmis ion Network Regarding Socio-Cultural Factors]. Bulletin of Moscow Region State University. Series: Economics. 2018. № 3. P. 103. DOI: 10.18384/2310-6646-2018-3-94-103 [In Russian].
11. Otterman J. Matrix Multiplication in Search for Alternate Routesro Electronica Com. IT. 1963. Vol. 38. No. 2. P. 156-164.
12. Shimbel A. Structural Parameters of Communication networks. Bulletin of Mathematical Biophysics. 1953. Vol. 15. No. 4. P. 501-507.
