Методология управления большими ВХС на примере Волжско-Камского каскада водохранилищ

Методология управления
большими ВХС на примере
Волжско-Камского каскада
водохранилищ
Зав. кафедрой гидрологии, гидрометрии и регулирования стока ФГОУ ВПО МГУП,
д.т.н, проф. Исмайылов Г.Х.
Зав. кафедрой комплексного использования ФГОУ ВПО МГУП,
к.т.н, проф. Раткович Л.Д.
Общая постановка задачи управления ВХС
Состояние вопроса
Принципиальные основы управления водохранилищами крупнейших каскадов России
разработаны несколько десятилетий назад. Их классическая методика не утратила своей
правомерности. Однако с развитием гидролого-водохозяйственного научного направления
появилась возможность создания более совершенных алгоритмов управления водными
ресурсами с помощью информационно-аналитических систем на базе имитационного
моделирования.
В настоящее время в бассейне р. Волги сформировалась сложная водохозяйственная система
(ВХС), включающая множество рассредоточенных на большой территории объектов
управления. Главным объектом управления здесь является Волжско-Камский каскад
водохранилищ. Современное состояние проблемы управления водными ресурсами ВолжскоКамского каскада ГЭС c водохранилищами требует учета нестационарности гидрофизических
процессов и особенностей требований субъектов РФ к водным ресурсам в новых
общественно-политических и социально-экономических условиях.
Учитывая вышесказанное, необходима разработка и внедрение автоматизированной
информационно-аналитической управляющей системы поддержки принятия решений по
управлению водными ресурсами. Одной из основных целей при этом является уточнение
существующих Правил управления, как отдельными водохранилищами, так и каскадом в
целом. Необходимость решения поставленной задачи обоснована остротой водноэкологических и социально-экономических проблем и с новой общественно-политической
ситуацией. Усиливаются антропогенные и экстремальные воздействия природных процессов
(наводнений, засух, ледотермических явлений и т.д.). Как следствие – изменение режимных
характеристик природных вод и ухудшение условий функционирования околоводных и водных
экосистем, приводящее к значительным ущербам окружающей среде.
Прежде всего, эта система должна учитывать основные закономерности функционирования
Волжско-Камского каскада ГЭС с водохранилищами, включая формирование неуправляемого
притока речных вод к узлам управления; оценку потерь воды в водохранилищах и руслах
основных рек бассейна р. Волги; формирование требований водопользователей к объему,
режиму и качеству речных вод; моделирование и прохождение экстремальных половодий и
паводков; трансформацию руслового стока. Кроме того, анализируются эколого-экономические
аспекты использования и охраны водных ресурсов бассейна р. Волги.
Задачи и методы их решения
•
•
•
•
•
Информационно-аналитическая управляющая система ВолжскоКамского каскада (ВКК) ГЭС с водохранилищами должна работать в
условиях нестационарности и неопределенности природнохозяйственных процессов. Основные задачи :
оценка и прогноз требований водопользователей Волжско-Камского
каскада водохранилищ к объему, режиму и качеству речных вод;
определение режимных параметров функционирования ВолжскоКамского каскада ГЭС с водохранилищами с учетом интересов всех
водопользователей, включая требования природных комплексов
нижнего течения и дельты р. Волги;
моделирование пропуска половодий редкой повторяемости
водохранилищами Волжско-Камского каскада и моделирование
трансформации руслового стока между водохранилищами каскада и в
самих водохранилищах на базе ГИС технологий;
уточнение правил управления водными ресурсами как для отдельных
водохранилищ, так и для Волжско-Камского каскада в целом; оценка
эколого-экономической эффективности функционирования ВолжскоКамского каскада ГЭС с водохранилищами; создание ГИС ВолжскоКамского каскада ГЭС с водохранилищами.
Водохозяйственная модель функционирования
Волжско-Камского каскада водохранилищ.
•
•
•
Функционирование волжской водохозяйственной системы и ее влияние
на водный баланс и режим бассейна реки, а также на эффективность
использования водных ресурсов участниками водохозяйственного
комплекса (ВХК) анализируются по отношению к руслу Волги и ее
основных притоков вследствие создания Волжско-Камского каскада
гидроузлов с водохранилищами сезонного регулирования стока.
Интегральный эффект антропогенного воздействия проявляется ниже
Волгоградского гидроузла в пределах Волго-Ахтубинской поймы,
дельты Волги и подстепных ильменей. При этом дельта Волги также
подвержена воздействию гидрологического режима Каспийского моря.
Отличительной особенностью Волжско-Камского каскада (ВКК)
является сопряженность бьефов основных его водохранилищ, что
превращает Волгу в систему подпертых бьефов. В экономическом
плане ВКК является многофакторным объектом комплексного
назначения при доминирующей роли гидроэнергетики, водного
транспорта, рыбного и сельского хозяйства. Требования потребителей
обуславливают формирование специальных попусков ниже
Куйбышевского водохранилища.
Структура модели ИУАС - КАСКАД
ИНФОРМАЦИОННО – АНАЛИЗИРУЮЩАЯ ЧАСТЬ МОДЕЛИ
Блок 1
Формирование и
моделирование
гидрометеорологич
еских,
гидрологических,
гидрогеологических
и других
природообразующи
х данных
Блок 3
Блок 2
Оценка и прогноз
водопотребления
основных
участников
ВХК
бассейна Волги
Оценка и
прогноз
неуправляемого
притока к узлам
управления
Блок 4
Формирование
требований
режима
стока в нижних бьефах
водохранилищ
с
учетом
отраслевых,
природоохранных
и
экологических
попусков
Блок 5
Вопросы пропуска
экстремальных
половодий
и
паводков с учетом
затопления
и
подтопления
территорий в зоне
влияния каскада
УПРАВЛЯЮЩИЕ МОДУЛИ
Блок 6
Правила
управления
отдельными
водохранилища
ми и каскадом в
целом
Блок 7
Модель
управления
Волжско-камским
каскадом
водохранилищ в
изменяющихся
условиях
Блок 8
Формирование
вариантов
управления
водными
ресурсами
р.Волги для ЛПР
Блок 9
Сценарии функционирования
каскада
Блок 10
Выработка рекомендаций по
изменению стратегии управления
Требования к информационно-аналитической
управляющей системе ИУАС-КАСКАД
• Для разработки и тиражирования типового программного
обеспечения, которое может быть положено в основу ИАУС–
КАСКАД, необходимо определить типовую структуру основных
подсистем и решаемых задач, унифицировать принципы
информационного обеспечения, а также определить единые
требования к общесистемному математическому обеспечению и
составу технических средств. Это достигается путем создания
базовой имитационной модели функционирования каскада
водохранилищ с ГЭС.
• Основным элементом базовой имитационной модели ВКК
является банк функциональных расчетных модулей, так как
именно его содержание определяет состав решаемых задач и
качество полученного решения. Описание состава
функциональных модулей, имеющихся в системе, должно
храниться в специальном каталоге банка с четким описанием
перечня и формата входных и выходных данных. По мере
развития базовой имитационной модели состав банка
функциональных модулей будет постоянно пополняться,
расширяя тем самым состав решаемых задач.
ИНФОРМАЦИОННАЯ БАЗА МОДЕЛИ
•
•
•
•
Центральной проблемой создания любой информационно-управляющей
системы является конструирование конкретной базы данных первичной и
вторичной информации. В настоящей работе база данных рассматривается как
информационная модель Волжско-Камского каскада водохранилищ от
обоснованности, точности и достоверности которой во многом зависит
эффективность управления этим каскадом водохранилищ с ГЭС. Для
эффективного использования подобной информации недостаточно ее
представления в виде обычной базы данных, а необходимо создание
геоинформационной системы Волжско-Камского каскада (ГИС - КАСКАД).
В формируемой информационной системе ГИС - КАСКАД выделяются
федеральный, региональный (бассейновый), территориальной и локальный
уровни. Движение входящих в систему информационных потоков являются
вертикально направленным. Потоки формируются на основе регламентов и
требований к водо-энергопользователям по представлению ими обязательной
отчетности и документированных данных государственного мониторинга водных
и водноэнергетических объектов.
Потребителями информации являются органы управления водо- и
энергопользованием всех уровней, их информационно-аналитические центры,
другие участники единой информационной системы водопользования в лице
научных и иных организаций, аккредитованных в этой системе и выполняющих
задачи, связанные с поддержкой принятия управленческих решений.
Аналитическое обеспечение может осуществляться в двух режимах: в режиме
работы специализированных экспертных систем при интерактивном
взаимодействии аналитика с лицом, принимающим решение (ситуационный
анализ водохозяйственной обстановки, сценарный прогноз развития
чрезвычайной ситуации на водном или водноэнергетическом объекте и т.п.), и в
режиме подготовки официальных аналитических материалов и документов
(оперативных сводок, планов развития, прогнозов, Государственного доклада о
состоянии водных ресурсов и т.д.).
Базовая исходная информация
•
•
•
Привязка информационной базы должна соответствовать топологической
структуре модели Волги, охватывающей 12 частных водосборов, из которых 11
приурочены к водохранилищам ВКК, а последний – к Волго-Ахтубинской пойме
и дельте реки (рис.2).
Кроме необходимых данных наблюдений за стоком рек за весь имеющийся
период наблюдений (в месячном разрезе, а для периода весеннего половодья –
по декадам), требуется не менее объемная водохозяйственная информация.
Она включает требования отдельных участников водохозяйственного комплекса
к объему, режиму и качеству используемых водных ресурсов, агрегированная по
выделенным 12 частным водосборам; требования природных комплексов
нижнего течения и дельты р. Волги к объему, режиму и качеству водных
ресурсов; данные по фактическому использованию водных ресурсов
участниками ВХК, выработке электроэнергии, режиму и объему попусков в
нижние бьефы гидроузлов каскада за последние десятилетия; данные по
водоотведению; требования к естественному воспроизводству рыбы в нижнем
течении и дельте р. Волги; зависимость рыбопродуктивности водохранилищ ВКК
от их режимных параметров; зависимость естественного воспроизводства рыбы
от объема, режима, уровня продолжительности его стояния для нижнего
течения и дельты р. Волги; батиграфические и объемные характеристики всех
водохранилищ каскада, а также кривые связи уровней и расходов воды в
бьефах гидроузлов с учетом подпора; водноэнергетические показатели для всех
ГЭС каскада; ограничения по пропускной способности; диспетчерские
ограничения режима работы водохранилищ ВКК; нормативные уровни и
емкости водохранилищ ВКК (УМО, НПУ, ФПУ, Vмо,Vнпу,Vфпу);
Результаты функционирования
ИУАС-КАСКАД
•
•
•
•
•
•
•
В результате реализации программного комплекса “КАСКАД” получается массив
выходной информации, включающей многолетние характеристики для каждого
узла управления:
приток воды на входах в систему; неуправляемый боковой приток между узлами
управления;
требуемая и фактическая водоотдача внерусловым потребителям; суммарные
потери воды на испарение, фильтрацию,
ледообразование и шлюзование; попуски в нижний бьеф гидроузлов; расходы
ГЭС; уровни воды в верхнем бьефе при плотине и в зоне выклинивания
подпора;
уровни воды в нижнем бьефе в зависимости от сбросного расхода и уровня
воды при плотине нижележащего водохранилища;
фактические судоходные попуски и гарантированные судоходные глубины;
фактические рыбные попуски ниже Волгоградского гидроузла, площади
затопления нерестилищ и продолжительность стояния уровня воды; выработка
и мощность отдельных ГЭС и каскада в целом (декадная, месячная, сезонная,
годовая);
потери воды в Волго-Ахтубинской пойме и дельте р. Волги; приток воды в
Каспийское море.
Оценка и прогноз требований водопользователей
Волжско-Камского каскада водохранилищ к объему,
режиму и качеству речных вод.
• Для построения и реализации модели управления
водными ресурсами Волжско-Камского каскада
водохранилищ наряду с оценкой располагаемых
водных ресурсов важную роль играет оценка
современного и перспективного использования
водных ресурсов и водоотведения отраслями
экономики и населением.
• Для анализа и оценки требований населения и
экономики к водным ресурсам (количеству и
качеству) на основе гипотезы развития
водопотребления традиционно используются три
подхода: нормативный, экстраполяция выявленных
тенденций в динамике показателей водопотребления
и оптимизация структуры секторов экономики.
• Нормативный подход основан на перспективной
оценке состава и структуры народнохозяйственного
комплекса и объемов товарной продукции в
основных секторах экономики, а также численности
населения (городского и сельского).
• Второй подход базируется на результатах анализа
закономерностей ретроспективной динамики
показателей использования водных ресурсов
отраслями хозяйства и населением.
• Оптимизационный метод исходит из принципов
поиска оптимального размещения и структуры новых
объектов производящих отраслей экономики и
реконструкции существующих мощностей
предприятий с учетом ресурсосберегающих и
средозащитных мероприятий. Преимущество этого
подхода в сравнении с первыми двумя очевидно.
Пропуск половодий редкой повторяемости
водохранилищами ВКК
• Известно, что расчеты пропуска катастрофических половодий и
паводков выполняются вероятностными методами, но они
должны быть вариантными.
• Инженерная задача в данном случае состоит в разработке
комплексных мероприятий в части регулирования высоких вод,
обвалования территорий, берегозащитных мероприятий и
других мер защиты от негативного воздействия вод.
• Математическая постановка предусматривает определение
экономически оптимального режима срезки половодий
(паводков) в сочетании с указанными мероприятиями.
• При этом следует рассматривать весь многолетний расчетный
ряд, принятый за прототип будущего режима, не ограничиваясь
только экстремальными значениями обеспеченности.
ВОДОХОЗЯЙСТВЕННАЯ СИСТЕМА БАССЕЙНА ВОЛГИ
Иваньковское
0.81 0.15
Угличское
0.81 0.07
Рыбинское
16.7 0.51
Воткинское
3.7 0.07
Горьковское
3.9 0.08
Чебоксарское
5.4 0.05
Vплз b bS
33.9 0.14 0.31
Камское
9.8 0.19
Река Волга
Водохранилищный
гидроузел и показатели регулирования
V плз -полезн.емкость, , Км3
b =V / W - коэффициент
емкости в долях среднего
стока
bS -сумма вышераспоженных емкостей в долях
среднего стока
Река Волга
Н.Камское
4.6 0.05
Куйбышевское
33.9 0.14 0.31
Саратовское
1.75 0.007 0.31
Волгоградское
8.30 0.33 0.34
Каспиийское море
Рис.2 Топологическая схема ВК каскада