DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций

Поступления 15.08.2011

Материалы

загрузка...

Развитие методологии управления сложными водно-ресурсными системами

Клёпов Владимир Ильич, 15.08.2011

 

Клёпов Владимир Ильич

Развитие методологии управления сложными водно-ресурсными системами

05.23.16 – Гидравлика и инженерная гидрология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва, 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Речной сток служит основным поставщиком пресной воды, он распределен крайне неравномерно как по территории суши, так и внутри годового цикла. Внутригодовая неравномерность стока устраняется, как известно, его регулированием с помощью водохранилищ, пространственная неравномерность может быть выровнена, в частности, объединением отдельных водохранилищ в водно-ресурсные системы (ВРС). Это позволяет увеличить отдачу естественных водотоков и, вместе с тем, повысить обеспеченность (надежность) гарантированной водоотдачи.

В России построены и функционируют такие ВРС, как каскад гидроузлов на р.р. Волга, Кама, Ангара, Енисей. Созданы и эксплуатируются ВРС для водообеспечения больших регионов, например, Уральского и Московского. Основная направленность исследований по обоснованию надежности гарантированной водоотдачи системы водохранилищ определилась в процессе создания и эксплуатации крупных ВРС многоцелевого назначения. Такие ВРС создаются для удовлетворения потребностей многих водопользователей различных отраслей народного хозяйства: питьевого водоснабжения, коммунального хозяйства и промышленности, сельского хозяйства, энергетики, речного транспорта, рыбного хозяйства и других. Они играют все большую роль в охране водных ресурсов от истощения и загрязнения, а также в решении задач отдыха населения - рекреации. Таким образом, ВРС представляют собой сложные природно-технические системы, важнейшей технологической характеристикой которых является гарантированная водоотдача и ее надежность - расчетная обеспеченность. На основании этих характеристик происходит построение правил управления водными ресурсами.

Установление наиболее целесообразного порядка управления водными ресурсами систем водохранилищ в условиях стохастического характера исходной гидрологической информации представляет одну из основных задач теории регулирования речного стока. Имеется несколько путей решения этой задачи: привлечение воды из-за пределов системы; увеличение коэффициента зарегулированности естественного стока путем создания новых регулирующих сток водохранилищ или увеличения объема старых; рациональное использование полученной из источников воды; повышение эффективности управления водными ресурсами, которые имеются в данный момент времени в системе водохранилищ.

При разработке правил управления режимом работы водохранилищ критерии качества управления должны учитывать стохастический характер будущего притока воды. В качестве такого критерия широко применяется показатель надежности (расчетной обеспеченности) удовлетворения заявленных требований к водоотдаче. Этим показателем определяются как параметры ВРС, так и правила наполнения и сработки водохранилищ.

Принцип экономического обоснования расчетной обеспеченности основан на сопоставлении ущербов, возникающих у водопользователя вследствие ограничения водоотдачи, и затрат, необходимых для сокращения этих ограничений. Общепризнанной методики оценки ущербов от недодачи воды компонентам ВРС в настоящее время нет. Используемый на практике показатель расчетной обеспеченности по числу бесперебойных лет не в полной мере отражает особенности регулирования стока системой водохранилищ и не дает исчерпывающей характеристики надежности водоснабжения. Поэтому всесторонний анализ гарантированной водоотдачи системы водохранилищ с привлечением различных критериев надежности имеет значение для оценки обеспеченности водоснабжения и, в конечном счете, для определения практических рекомендаций по функционированию и развитию ВРС. Этим определяется актуальность работы.

Цель работы. Развитие методологии построения правил управления и исследования функционирования водно-ресурсных систем для обоснования обеспеченности ее гарантированной водоотдачи.

В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:

1. Дать анализ современных методов управления режимом работы водно-ресурсных систем и выявить наиболее эффективные из них применительно к обоснованию соотношения величины и обеспеченности гарантированной водоотдачи.

2. Разработать расчетную схему управления водными ресурсами, основанную на имитационной математической модели функционирования сложной водно-ресурсной системы. Обобщить и систематизировать существующие исходные материалы по действующей водно-ресурсной системе для проведения имитационных экспериментов и построения на этой основе правил управления режимом ее работы.

3. Проанализировать различные варианты функционирования водно-ресурсной системы и исследовать водохозяйственную обстановку за пределами расчетной обеспеченности в условиях недостатка водных ресурсов для различного сочетания водохранилищ в системе. Разработать принципы ранжирования водопользователей по степени урезки им водоподачи за пределами расчетной обеспеченности.

4. Разработать приемы гидролого-водохозяйственного обоснования величины и обеспеченности гарантированной водоотдачи.

5. Дать анализ различных характеристик расчетной обеспеченности гарантированной водоотдачи водно-ресурсной системы.

6. Изучить степень надежности (расчетной обеспеченности) удовлетворения потребностей в воде различных водопользователей водохозяйственного комплекса в рамках единого критерия расчетной обеспеченности в условиях недостатка водных ресурсов.

7. Разработать гидролого-водохозяйственный подход к совместному управлению ресурсами поверхностных и подземных вод в условиях маловодного периода.

Методы исследования. Работа выполнена на основе законов гидрологии суши, теории регулирования речного стока, системного анализа и математической статистики. Аппарат исследования – метод имитационного моделирования.

Объектом исследования являются речные водохранилища, функционирующие в составе сложной водно-ресурсной системы. В качестве примера рассматривается одна из крупнейших в России систем водохранилищ, предназначенная для водообеспечения Московского региона.

Предмет исследования. Режимы функционирования водно-ресурсной системы в изменяющихся гидрологических условиях, переменного числа водохранилищ в системе, заявок на воду на основе критерия расчетной обеспеченности гарантированной водоотдачи с целью достижения наиболее полного использования возможностей регулирования речного стока.

На защиту выносятся:

- Результаты анализа современных методов управления режимом работы водно-ресурсных систем на примере водообеспечения крупного региона.

- Результаты систематизации исходных данных по действующей системе водохранилищ на примере водообеспечения Московского региона для совершенствования правил управления режимом ее функционирования.

- Результаты исследования водохозяйственной обстановки за пределами расчетной обеспеченности в условиях недостатка водных ресурсов для различных вариантов сочетания водохранилищ в системе и сочетаний значений: гарантированная водоотдача, ее обеспеченность и степень сокращения.

- Приемы гидролого-водохозяйственного обоснования величины и обеспеченности гарантированной водоотдачи.

- Закономерности соотношения различных характеристик расчетной обеспеченности и значений гарантированной водоотдачи водно-ресурсных систем.

- Методические подходы к обоснованию расчетной обеспеченности природоохранного попуска в рамках единого критерия расчетной обеспеченности отрасли водоснабжения.

- Гидролого-водохозяйственный подход к разработке методов совместного управления ресурсами поверхностных и подземных вод в условиях маловодного периода.

Научная новизна. В работе впервые выполнено гидролого-водохозяйственное обоснование различных характеристик критерия расчетной обеспеченности гарантированной водоотдачи водно-ресурсной системы. Получены новые научные результаты:

- Установлена ведущая роль метода диспетчерского управления режимом работы водно-ресурсной системы по сравнению с другими методами.

- Выполнены обобщение и систематизация исходных данных для проведения имитационного эксперимента на модели действующее водно-ресурсной системы на примере системы водообеспечения Московского региона.

- Показаны методические приемы учета асинхронности стока рек в исследуемом регионе для совершенствования правил управления в условиях маловодного периода.

- Выявлены основные закономерности функционирования водно-ресурсной системы за пределами расчетной обеспеченности в условиях недостатка водных ресурсов.

- Установлена зависимость критерия расчетной обеспеченности гарантированной водоотдачи водно-ресурсной системы и глубины ее сокращения в условиях маловодного периода.

- Предложены методические приемы дифференциации расчетной обеспеченности и иерархии сокращения гарантированной водоотдачи компонентам водохозяйственного комплекса в системе водообеспечения крупного региона.