Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Применение динамических и стохастических моделей для прогноза месячного притока в водохранилища гидроэлектростанций

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Шевнина, Елена Валентиновна

ВВЕДЕНИЕ

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОСТАНОВКА 7 ЗАДАЧИ

1.1. Гидрометеорологическое описание бассейна оз. Ильмень

1.2. Роль гидрологических прогнозов в работе ГЭС

1.3. Существующая методика прогноза притока в водохранилище 21 Волховской ГЭС

1.4. Оценки эффективности методики и оправдываемости 30 гидрологических прогнозов

1.5. Постановка задачи исследования

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ 35 ПРОГНОЗА СРЕДНЕМЕСЯЧНОГО ПРИТОКА В ВОДОХРАНИЛИЩЕ ВОЛХОВСКОЙ ГЭС И УРОВНЯ ОЗ.

ИЛЬМЕНЬ

2.1. Математические модели в гидрологических прогнозах

2.2. Модели склонового стока

2.3. Динамические модели озера

2.4. Применение корреляционного анализа для предварительной 42 оценки параметров моделей

2.4.1. Выявление наличия функциональной связи между величиной 42 среднемесячных суммарных по бассейну осадков среднемесячным притоком и уровнем оз. Ильмень

2.4.2. Анализ зависимостей расходов р. Волхов в створе Волховской 61 ГЭС от уровня оз. Ильмень (ст. Коростынь)

2.5. Прогноз притока в водохранилище и уровня озера. Оценка 65 надежности прогнозов

2.5.1. Параметризация моделей

2.5.2. Прогноз склонового стока

2.5.3. Прогноз уровня озера

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ 81 ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА ДЛЯ ПРОГНОЗА ПРИТОКА В ВОДОХРАНИЛИЩЕ ВОЛХОВСКОЙ ГЭС

3.1. Общие положения

3.2. Стохастическая модель формирования стока

3.3. Начальные и граничные условия

3.3.1. Задание начальных условий

3.3.2. Задание граничных условий

3.4. Получение значений параметров стохастической модели

3.4.1. Основные критерии выбора оптимальных значений параметров 93 модели

3.4.2. Выбор диапазонов изменения параметров модели

3.5. Прогнозные величины притока в водохранилище различной 97 обеспеченности. Оценка качества прогнозов

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Применение динамических и стохастических моделей для прогноза месячного притока в водохранилища гидроэлектростанций"

При решении вопроса о нормальной работе гидроэлектростанций особое значение имеет получение корректных прогнозных величин притока в водохранилище ГЭС. Прогнозирование среднемесячного притока в водохранилища ГЭС на территории Северо-Запада ведется с использованием эмпирических зависимостей, связывающих величину суммарных осадков с величиной полезного притока. Большая часть подобных зависимостей построена по данным об осадках и притоке в водохранилища до 1950-го года и, как отмечается прогнозистами УГМС, требует уточнения. Кроме того, многие ГЭС, в частности Волховская, были реконструированы, что повысило способность маневрирования водозапасами с целью выработки дополнительной энергии. Волховская ГЭС осуществляет месячное и сезонное регулирование стока воды, поэтому для ее оптимальной работы необходимы величины месячного притока.

Качество прогнозов притока, полученных по эмпирическим зависимостям, оставляет желать лучшего. К решению вопроса об улучшении качества прогнозов можно подойти двумя путями:

1) уточнить имеющиеся эмпирические зависимости, дополнив ряды суммарных осадков и полезного притока данными за 1950 - 90 гг., построив новые уточненные связи;

2) смоделировать гидрологическую ситуацию в бассейне оз. Ильмень и, применяя современный математический аппарат, получить искомые прогнозные значения притока и уровня озера.

В диссертации выбран второй путь. Целью исследования является разработка новой методики прогнозирования величин среднемесячного притока в водохранилище Волховской ГЭС и уровня оз. Ильмень основанной на получении прогнозной кривой обеспеченности среднемесячного притока.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

- собрать, обобщить и проанализировать данные об осадках, речном стоке на водосборе оз. Ильмень и уровне озера за период 1970 - 80 гг.;

- посредством методов корреляционного анализа предварительно оценить численные значения параметров динамических моделей;

- выполнить параметризацию динамических моделей методом оптимизации;

- выполнить поверочные прогнозы притока в водохранилище и оценить их качество;

- подобрать параметры стохастической модели формирования стока и найти способ задания начальных и граничных условий, обеспечивающих получение устойчивых прогнозных кривых обеспеченности среднемесячного притока;

- на независимом ретроспективном материале выполнить поверочные прогнозы кривых обеспеченности и сравнить их с фактическими кривыми по критерию согласия Колмогорова.

В результате проведенного исследования применения динамических моделей склонового стока первого и второго порядка для прогноза месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, динамических моделей первого и второго порядка для прогноза уровня оз. Ильмень, а также стохастической модели формирования стока для прогноза кривых обеспеченности месячного притока получены следующие результаты:

1. На основе динамических моделей формирования стока в виде обыкновенных дифференциальных уравнений первого и второго порядка разработана методика прогнозирования месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, а также среднемесячного уровня оз. Ильмень.

2. Обоснованы и апробированы способы параметризации и задания начальных и граничных условий при использовании уравнения ФПК для прогнозирования устойчивых кривых обеспеченности месячного притока.

3. Разработана, апробирована и доведена до практического использования методика прогнозирования кривых обеспеченности месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, базирующаяся на стохастической модели формирования стока в виде уравнения ФПК.

4. Для реализации прогнозов по новым методикам разработано специализированное программное обеспечение (на языке Object Pascal for Delphi 5) для ОС Windows.

Практическая значимость результатов заключается в повышении качества гидрологических прогнозов притока в водохранилище Волховской ГЭС, а также в получении вероятностной формы прогноза, позволяющей применять элементы теории риска при управлении сбросом.

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 1998 - 2000 гг.; на Первой Международной конференции студентов и аспирантов «Современные аспекты гидроаэродинамики - 98» (СПб, 1998 г.); Пятой конференции «Динамика и термика, рек водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 1999 г.).

Работа была отмечена в конкурсе персональных грантов (стипендий) 2000 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по исследованиям в области гуманитарных, естественных, технических и медицинских наук (М00-2.7К-593).

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 47 источников. Работа изложена на 290 странице текста, включая 119 страницы основного текста, 29 рисунков и 10 таблиц и 5 приложений.

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Шевнина, Елена Валентиновна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования возможности применения динамических моделей склонового стока первого и второго порядка для прогноза месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, динамических моделей первого и второго порядка для прогноза уровня оз. Ильмень, а также стохастической модели формирования стока для прогноза кривых обеспеченности месячного притока получены следующие результаты:

1. Обобщена и статистически обработана гидрометеорологическая информация по 15 метеорологическим и 7 гидрологическим станциям и постам, расположенных в бассейне оз. Ильмень. Это позволило понять особенность механизма формирования речного стока в бассейне оз. Ильмень и оценить параметры динамических моделей.

2. Выполнена параметризация динамических моделей и получены прогнозные значения месячного притока в водохранилище (60 ретроспективных прогноза) и уровня оз. Ильмень (40 ретроспективных прогноза).

3. Выполнена оценка полученных прогнозов по критериям числу оправдавшихся прогнозов Р, и по критериям, применяемым СевероЗападным УГМС. Проведено сравнение прогнозов с применением методики Нежиховского и с применением динамических моделей первого и второго порядка. Выбраны динамические модели и их параметры для последующего использования в новой методике прогнозирования месячного притока в водохранилище Волхоской ГЭС и уровня оз. Ильмень.

4. Для стохастической модели формирования стока оптимизировано значение параметра С, подобраны численные значения параметров ; и получены прогнозные кривые обеспеченности месячного притока в водохранилище. Соответствие прогнозных кривых обеспеченности

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шевнина, Елена Валентиновна, Санкт-Петербург

1. Ресурсы поверхностных вод СССР / Под ред. В.Е. Водогрецкого, Т. 2, ч. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - С. 34 - 56.

2. Справочник по климату СССР. Вып. 3, Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -128 с.

3. Метеорологический ежемесячник. Вып. 4, ч.2, № 5 П.Обнинск: Изд-во ВНИИГМИ-МЦ, 1970-79.

4. Государственный водный кадастр. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод СССР. Т.1, вып. 0-3. Л., 1970-1979.

5. Государственный водный кадастр. Основные гидрологические характеристики. Т. 1, вып. 0-3, Л., 1980.

6. Прогнозы водного режима крупных рек, озер и водохранилищ Л.: Изд-во СЗУГМС, 1956. - 37 с.

7. Нежиховский P.A. Гидрологические расчеты и прогнозы при эксплуатации водохранилищ и озер. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. -С. 294.

8. Нежиховский P.A. Методы подсчета притока воды в водохранилище (критический обзор и предложения) // Вопросы гидрологических прогнозов: Тр. ГГИ. 1972. - вып. 197. - С. 102-111.

9. Виноградов В.Л., Шестакова P.A., Гидрологическое обслуживание крупных ГЭС // Вопросы гидрометрии: Тр. ГГИ. 1973. - вып. 202. -С. 95-114.

10. Нежиховский P.A. Прогнозы месячного стока рек Северо-Запада Европейской территории Союза: Автореф. диссерт. на соискание уч. ст. канд. тех. Наук. М., 1952. - 29 с.

11. Наставления по службе прогнозов, Разд. 3 ч. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1962.-С. 193.

12. Бефани Н.Ф., Калинин Г.П. Упражнения и методические разработки по гидрологическим прогнозам. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. - С. 5-26.

13. Аполлов Б.А., Калинин Г.Н., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. Л.: Гидрометиздат, 1974. - С. 28-37.

14. Кучмент Л.С. Модели процессов формирования речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - С. 141.

15. Кучмент Л.С., Демидов В.Н. Мотовилов Ю.Г. Формирование речного стока. М.: Наука, 1983. - 214 с.

16. Ортега Д., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1986. - С. 8-58,276-284.

17. Коваленко В. В. Моделирование гидрологических процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1993. -256 с.

18. Рождественский А. В. Оценка точности кривых распределения гидрологических характеристик. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. -269 с.

19. Клибашев К. П., Горошков И. Ф. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1970. - 460 с.

20. Шелутко В.А. Численные методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.- С. 31-57.

21. Горошков И.Ф. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.-203 с.

22. Владимиров А. М., Дружинин В. С. Сборник задач и упражнений по гидрологическим расчетам: Учеб. пособие. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992.-208 с.

23. Владимиров А.М. Гидрологические расчеты. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 364 с.

24. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Наука, 1973. - С. 701-749.

25. Коваленко В.В. Гидрометрическое оценивание речного стока с элементами стохастического подхода, Л.: Политехнический инс-т, 1986. С. 45-58.

26. Коваленко В.В. Гидрологическая измерительная техника. Л.: Изд-во Политехнического инс-та, 1984. - С. 10-16.

27. Карасев И. Ф., Коваленко В. В. Стохастические методы речной гидравлики и гидрометрии. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 208 с.

28. Коваленко В В. Динамические и стохастические модели гидрологического цикла. Л.: Изд-во Политехнического инс-та, 1988. -33 с.

29. Рождественский A.B., Ежов A.B., Сахарюк A.B. Оценка точности гидрологических расчетов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990, - 275 с.

30. Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М.: Наука, 1971.-576 с.

31. Справочник по теории вероятностей и математической статистике / Под ред. B.C. Королюка. Киев: Навукова думка, 1978. - С. 581.

32. Арато М. Линейные стохастические системы с постоянными коэффициентами. Статистический подход. М.: Наука, 1989. - С. 92111,262-285.

33. Лисакович П.И. Элементы теории вероятности Орджоникидзе, 1973166 с.

34. Розанов Ю. А. Случайные процессы. М.: Наука, 1979. -184 с.

35. Свешников А. А. Прикладные методы теории случайных функций. -М.: Наука, 1968.-464 с.

36. Колмогоров А. Н. Теория случайностей и математическая статистика. -М.: Наука, 1986. 535 с.

37. Самарский A.A. Введение в численные методы. М.: Наука, 1987. -286 с.

38. Карасев И.Ф. Речная гидравлика и учет водных ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - С. 10-15,233-244.

39. Рождественский А. В., Чеботарев А. И. Статистические методы в гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 424 с.

40. Коваленко В. В. Стохастические модели формирования речного стока с сосредоточенными параметрами // Расчеты и прогнозы119гидрологических характеристик: Межведомственный сборник научных трудов. Л.: Изд-во ЛГМИ, 1989. - Вып. 103. - С.61-73.

41. Борисенков Е.П., Романов М.А. Алгоритмы и программы статистической обработки информации на ЭВМ. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 363 с.

42. Тюрин Ю.Н., Макаров A.A. Анализ данных на компьютере. М.: Инфра М, 1995. - 384 с.

43. Поляков Д.Б., Круглов И.Ю. Программирование в среде Турбо Паскаль. М.: Росвузнаука, 1992. - 132 с.

44. Культин Н. Самоучитель программирования на Object Pascal for Dephi 5. СПб: БХВ - Санкт Петербург, 1999. - 464 с.

45. Тюкачев Н., Свиридов Ю. Delphi 5. Создание мультимедийных приложений. М.: Нолидж, 2000. - С. 66-68, 122-178.

46. Бобровский С., Delphi 5: учебный курс. СПб.: Питер. 2000. - 638 с.

47. Гофман В.Э., Хомоненко А.Д. Delphi 5. СПб: БХВ - Санкт Петербург, 2000. - 800 с.