Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Система моделей планирования использования водных ресурсов водохозяйственной системы речного бассейна

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Система моделей планирования использования водных ресурсов водохозяйственной системы речного бассейна"

Министерство сельского хозяйства СССР

НОВСИЕРКАССКИЙ ОРДЕНА "ЗНАК ПОЧЕТА" ШШНЕРНО-!Ш1ИОРЛГИВНШ ИНСТИТУТ им. А.К.КСРТУКОВА

КУВАЛ1ШН Алексей Валентинович

СИСТЕМ МОДЕЛЕЙ ПЛАНИРОВАНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВСДНЬК РЕСУРСОВ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОЙ СИСТЕМЫ РЕЧНОГО БАССЕЙНА

Специальность: 11о00.П - "Охрана окрутмшцей среды и

рациональное кспользовелио природных ресурсов"

АВТОРЕ 0 Е Р АI

диссертации на соискаике ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Новочеркасск 159Г

Работа выполнена в Вычислительном центре МО "Юшелиорация".

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Кисароз 0.11., . кандидат технических наук, старший научный сотрудник Косодапов -А.Е,

Официальные оппонента: доктор технических наук

профессор Линевич G.H., кандидат технических наук, доцент Ольгаренко Л.Ф.

Ведущая организация: Уральский научно-исследовательский институт комплексного использования и охраны водных ресурсов (УралНИИВХ)

Защита состоится " ■> -Jt /V 1592 ГОда в час.

в ауд.236 на заседании специализированного совета KI20.76.0I при Новочеркасском ордена "Знак.Почета" инкеверно-ыелиоративном институте 1ш.А.К,Кортунова по адресу: 346409» г.Новочеркасск, ул.Пуш-кинсквя, III.

' С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке НИШ.

Автореферат разослан "

1991 г. —. /

Отзывы в двух акземшшрах с подписью, заверенной печатью организации, направлять ушному секретарю специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета, канд.с.-х.наук, профбссор

Г.Н.Мар-шаеяко

ШЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темц. В настоящее время отмечается обострение экологической обстановки и дефицит водных ресурсов во многих речных бассейнах и регионах страны.

Союзным и республиканскими правительствами принят ряд важнейших документов по вопросам реализации безотлагательных мер по рациональному использованию водных ресурсов и совершенствованию механизма планирования и управления водохозяйственными объектами.

Слагавшаяся ситуация в делом ряде бассейнов рек Черного,Азовского, Каспийского и Аральского морей - следствие несистемного,некомплексного подходов к планированию использования водных ресурсов, недоучета многих экологических, экономических, социальных факторов, следствие нерационального размещения вредных и водоемких производств. Во многих случаях напряженная водохозяйственная обстановка обуславливается не только нехваткой наличных водных ресурсов, но и нерациональными правил атт их распределения.

В настоящее время почти во всех бассейнах рек экономически* развитых районов страны сформировались слоетнэ водохозяйственные скстекн, решающие подчас противоречивые друг другу задачи.

Дальнейшее развитие ВХС и управление ими доляны базироваться на принципах оптимальности, что предполагает ■ всесторонний взаимосвязанный анализ экономических, природоохранных и социальных аспектов развития в рамках бассейнов рек.

Инструментом для разработки оптимальной стратегии и тактики Функционирования ЗХС должны явиться математические модели обработки данных к создание на тгх основе действующих систем автоматизированного планирования и управления водным ресурсами на базе современных вычислительных средств. . .

Цель и задачи исследопяпрй. Цель диссертационной'работа -

совершенствование технологии водохозяйственного планирования на основе разработки и применения математических моделей обработки дшшшс с использованием ЭВМ.

В соответствии о поставленной целью в рамках диссертационной работы решались следующие основные задачи:

- анализ структуры,особенностей и методов исследования БХС ;

- исследование системы и технологии водохозяйственного планирования использования водных ресурсов на различных стадиях и уровнях ;

- разработка базовой имитационной модели для водохозяйственных исследований как средства для совершенствования технологии решения основных водохозяйственных задач при планировании и управлении ВХС ;

- проведение экспериментального исследования с использованием численного моделирования на ЭВМ водохозяйственных задач перспективного к текущего планирования на конкретных объектах,

Методика исследований. Для решения задач исследования в диссертационной работе использованы методы системного анализа водных проблем, методы имитационного моделирования на ЗШ слошшх систем, мтоди теории вероятностей и математической статистики, моделирования случайных процессов, методы гидрологии, гидрохимии, теории регулирования и использования водных ресурсов.

Научная новизна. Разработанные в диссертационной работе подходы направлены на совершенствование как отдельных методик, так и в целой технологического процесса планирования использования водных ресурсов бассейнов рек на основе системы численных моделей для ЭШ.

Предложено построение, разработаны алгоритмы, программное обеспечение базовой имитационной модели для водохозяйственных исследоаа-ии? а виде системы типовых модулей для решения гидрологических,водо-хозпйстеощщх, водоохранных задач.

Предложены методика и программное обеспеченно для проведения численных экспериментов по разработке правил работы водохранилищ многоцелевого назначения и исследования параметров и режимов функционирования ВХС.

Практическая ценность. Результаты диссертационных псследова-ний внедрены в проектную практику. В том числе:

результаты исследования перспективного функционировали BIG среднего течения р.Белой (в Башкирии) использованы в технической проекте Башкирского водохранилища на р.Белой (йкгппроводхоз, г.Ростов-на-Дону) ;

результаты исследования функционирования объединенной Ставропольской ВХС использованы при разработка проекта пятой очереди БСК (СевКавготроводхоз, г.Пятигорск) ;

лрогралмное обеспечение базовой имитационной модели для водохозяйственных исследований использовано институтом Росгяпроводхоз (г.Москва) при проектировании Схемы комплексного использования и охраны всдяых ресурсов СССР на период до 2005 г.

Экономический эффект проведенной работы оценен в размере 91,8 тыс.руб.

Апробг-лкя работы. Основные результаты диссертационных исследований догадывались автором па областной научно-практической конференции по вопросам совершенствования эксплуатации и управления гидромелиоративных систем (г.Новочеркасск, 1985), на региональной школе-семинаре "Управление эколого-зконошческими системеми"(г,Те-бэрда, IS85), Всероссийском совеаании-сешнаре "Проблеш формирования региональных объединенных водохозяйственных систем" (г.Свердловск, 1985), Всесоюзной школе-семинаре "Автоматизация научных исследований в проектировании АСУТП в мелиорации" I г-Фру язе, 1938), Всесоюзной конференции "Современные проблемы планирования и управ-

ления водохозяйственными системами" (г.Новочеркасск, 1990).

По результатам исследований опубликовано 14 печатных работ.

Сту^ктупа и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (146 на именований). Текстовую часть (146 стр.) дополняют 27 рисунков, 16 таблиц и 4 приложения (49 стр.).

СОДЕШШЕ РАБОТЫ

Во введении излагается общая характеристика работы: цель и задачи исследований, актуальность, новизна, научно-практическая значимость.

В первой главе описывается структура и задачи функционирования современных ВХС, проводится анализ методов исследования ВХО, системы планирования комплексного использования и охраны водных ресурсов, проблем развития и функционирования водохозяйственных систем р.Белой (в Башкирии) и Ставрополья.

Современные ВХС имеют сложную структуру, обуславливающуюся наличием большого числа рассредоточенных на значительных территориях и действующих в условиях случайных факторов компонентов: водо-лотреоителей и водопользователей, а также объектов регулирования речного стока, транспортировки и подачи воды.

ВХС играют важную роль в решении задач водообеспечения народного хозяйства и охраны окружающей средн. Водоохранная роль ВХС заключается в осуществлении систематических наблюдений и контроле эа соблюдением норм ГЩК загрязняющих веществ в водных объектах,управлении качеством воды а водотоках, организации водоохранных по- -пусков водохранилищ, регламентации предельно допустимых сбросов.

Методика исследования ВХС (теория регулирования и использования водных ресурсов' в течение последних десятилетий прошла эволю-

щго от исследования работы отдельных водохозяйственных установок к системному анализу проблем функционирования и развития ВХС.

Наибольший вклад в развитие этой области науки внесли работы Крицкого С.Н., Менкеля М.Ф., Плешкова Я.Ф., Саваренского В.Д., Ве-ликанова А.Л., Сванидзе Г.Г., Резниковокого А.Ш., Картвелиншили H.A., Ксмайылова Г.Х., Пряжшской В.Г., Бусалаева И.В., Кумсиашви-ли Г.Г., Кузина А .К. и многих других.

Основные методы исследования и планирования ВХС - оптимизационные и имитационные модели, а такхе широко используемые методы статистического, регрессионного, потокового моделирования.

Система планирования и управления водным хозяйством в нашей стране включает три основных уровня:

1) долгосрочное планирование и проектирование схем комплексного использования и охрана водных ресурсов, обоснование крупномасштабных водохозяйственных мероприятий;

2) планирование на ближайшую перспективу для обоснования и уточнения принятых темпов строительства и реконструкция водохсзяй» ственных и водоохранных объектов ;

3) планирование и эксплуатация ВХС в текущих условиях.

Специфика каждого уровня определяет и различные* подходы- к организации и проведению работ водохозяйственного планирования и особенности технологии обработки данных,, проведения численных водохозяйственных экспериментов.

Проведенный анализ этой технологии позволил сформулировать основные задачи и требования к способам их решения.

Разработка и анализ задач водохозяйственного планирования приводятся в диссертационной работе на примере ВХС верхнего- и среднего точения р.Белой (в Башкирии}- и объединенной ВХС, Ставрополья.

Река Белая протекает в южной зоне Башкирии,. впадает в р.Каму яа 177 км от устья. Рассматриваемая часть бассейна имеет протяжен-

ность от истока 844 км, площадь водосбора 26,9 тыс.км2.

По характеру гидрологического режима р.Белая сходна с реками равнинного типа - имеет ярко выраженное весеннее половодье и длительную маловодную межень. Характерна также и многолетняя изменчивость сезонного и годового, стока.

3 среднем и верхнем течении р.Белой расположены крупные пром-уэлы; Белорецк, Кумертау, Салават, йишмиай, Стерлнтамак - центры нефтедобывающего, нефтеперерабатывающего, нефтехимического, химического. машиностроительного производства, использующие водные ресурсы р.Белой для промышленного и коммунального водоснабжения.Кро-мо того, водные ресурсы р.Белой используются для сельскохозяйственного водоснабжения, орошения, рыбоводства, гидроэнергетики.

В бассейне расположены, в основном, небольшие водохранилища , локального значения, регулирующие не более 20? общего объема речного стока верхнего и среднего .течения р.Белой.

Концентрация водоемких отраслей промышленности и высокая плотность населения в бассейне привели к тому, что уже сейчас,особенно в маловодные периоды года, отмечается дефицит водохозяйственного баланса и на фоне сильного снижения водности реки создается катастрофическая ситуация по загрязнению воды.

Основным фактором оздоровления водохозяйственной и санитарной обстановки в бассейне должно стать многолетнее регулирование стока с организацией регулярных водоохранных попусков.

Для анализа перспективной водохозяйственной обстановки и определения параметров и правил регулирования сгака, структуры системы управления бассейном требуется проведение численных эксаери-(.;ентов на ШМ.

Объедш'.е Еная водохозяйственная система Ставрополья включает бассейн Верхней Кубани е образованные кя базе ¡глтачия кубанскими ' ваджи Большой Ставропольский и Невияношссккй каналы, ооуществ-

ляющие переброску вод в маловодные- районы восточного Ставрополья. Большой Ставропольский канал 1БСК> и Яевинношсекий канал (Ж) имеют комплексное назначение - обеспечивают орошение земель (сколо 280 тыс.га ; планируется расширение орошаемого массива до 465 тыс.га), водоснабжение населения, сельского хозяйства, промьшшенности, работы тепловых и гидроэлектростанций, санитарную проточность рек и другие нугйды Ставропольского края, Ростовской области и Калмыцкой АССР.

В составе ВХС функционируют несколько гидроузлов к водохрани-. лиц сезонного и многолетнего регулирования, обеспечивающих подачу и распределение водных ресурсов в системе.

3 настоящее время в ВХС БСК и НК отмечается нехватка водных ресурсов. Нагачен ряд мероприятий на блляайшув перспективу по реконструкции основных сооружений ВХС для увеличения подачи воды и ее регулирования в системе.

Проведение исследований необходимо для определения требуем;« параметров реконструируемых объектов ВХС с учетом фактической пот-. ребности компонентов в блияайтей перспективе при- поддержании водоохранных требований.

Вторая глава посвящена описанию структуры и принципов построения базовой имитационной модели дал решения задач водохозяйственного плакирования.

3 настоящее время для исследования водохозяйственных, и водоохранных задач с использованием математических моделей создан ряд вычислительных и информационных систем универсального назначения. Однако их использование требует специальной схематизации,, а во многих случаях - упрощения задач исследования, что снижает качество полученного решения. Специальная адаптация моделей, как правило, невозможна или выливаетея в большие затраты..

Другой,подход, предлагающий разработку уникальных имитадиоя-

нюс систем дач отдельно выделенного бассейна или региона (Великанов В.Л., Коробова Д.Н., Пойзнер В.И., 1983; Воропаев Г.В., исмай-ылов Г.Х., Федоров В.М., 1984; Ворович И.И. и др., 1981), позволяет добиться высокого качества исследований. Однако процесс создания таких моделей довольно длительный и дорогостоящий и не позволяет вести тиражирование разработанных моделей.

Предлагаотся технология обработки данных для водохозяйственного планирования, основанная на разработке и применении базовой имитационной модели для водохозяйственных исследований. Ее структура построена на основе сочетания универсальных расчетных блоков и специально подготавливаемых - адаптируемых, настраиваемых или заменяемых моделей.

В состав базовой имитационной модели для водохозяйственных исследований входят: информационная система, банк функциональных задач и управляющая программа. ;

Информационная система позволяет реализовать информационную базу бассейна реки, веоти накопление и обновление информации, осуществлять первичную обработку данных.

Банк функциональных задач построен на принципах модульности и включает различные модели гидрологических и водохозяйственных задач, которые реализованы на основе алгоритмической и информационной совместимости.

Управляющая программа предназначена для увязки различных задач, проведения типовых экспериментов, сервисного обеспечения в режиме диалога человека и ЭВМ.

Для упорядочения размещения и хранения данных в информационной базе и построения алгоритмов их обработки применен споооб описания структуры ВХС в вике ориентированного графа-дерева. Выделение вер-вш» графа производится в соответствии с расчетной схемой задача исследования. Кодировка водных и водохозяйственных объектов внпол-

ляется в соответствии с принципами, принятыми в системе ведения государственного водного кадаотра, что позволяет состыковать расчетные модели о действующими информационными системами государственного учета использования вод (ЛИС ГУИВ), государственного водного кадастра (ЛИС ГВК) и.другими.•

Важным вопросом построения и.унификации вычислительных алгоритмов решения задач планирования и управления водными ресурсами сложных ВХС является формализация процессов имитации функшотро-вания различных .элементов ВХС..

Каздый из расчетных участков ВХС (водохранилищ, боковых притоков, крупных водопотребителей - а том числе) представляется как подсистема различных расчетных элементов, кавдкй из котор:ис в свою очередь рассматривается как подсистема своих элементов, либо как неделимый объект. Структура всей ВХС, а также структуру отдельных участков и входяпдах в них элементов определяются задачей псследо-" ванкя, а тангле имеющейся информацией.

Общий алгоритм имитации функционирования сложной ВХС. представлен как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих расчетных элементов, а сами эти элементы описываются как динамические системы в широком смысле, согласно способу описания сложной системы, предложенному Н.П.Бусленко. Это позволило построить математическую модель для алгоритмизации водохозяйственных расчетов для ВХС с произвольными топологией, функциональной структурой, задачами исследования.

Настройка па заданную структуру ВХС и задачу расчета осуществляется на уровне задания /исходной информации п схем сопряжения элементов. Данная технология реализуется на специально разработанном языке имитационного моделирования ВХС. . '

' На основе:разработанной технологии сформирован пакет вычислительных алгорнтгдав к программное обеспечение:

расчета водохозяйственных балансов для заданных гидрологических условий к правил регулирования стока;

расчета водохозяйственных балансов по наблюденным или смоделированным гидрологическим рядам с учетом диспетчерских правил работы водохранилищ ;

расчета диспетчерских правил управления водохранилищами к их параметров;

оценки качества воды и управления санитарными попусками водохранилищ.

В третьей главе описывается решение задачи перспективного планирования БХ.С - задачи. выбора параметров и режима водохранилища многоцелевого назначения.

Дазтся описание методики решения задачи на основе построения и реализации плана численного эксперимента функционирования водохранилища многоцелевого назначения и ее применение для обоснования параметров и режима йштугановского водохранилища на р.Белой,

Задача выбора параметров водохозяйственной системы на базе водохранилища многоцелевого назначения может оыть предстаалена как задача исследования решений уравнения вида:

аз

где ф - некоторая функция, связывающая параглетры емкости водо-хранилща V , речного стока , водопотребления к попусков А и соответствующих обоспечонностей Р , а также правил назначения допусков и отдач из водохранилища X) .

Описанные переменные и их связи характеризуются сложной структурой, что не позволяет осуществить аналитическое исследование функции Р .

Для построения и есолздовения решений уравнения ц) создана сиаташ имитаа,сонно-оптимнзационаих моделей. Основной блок этой системы рел'аат задачу построения диспетчерского плана для водохрз-

яилища многоцелевого использования и способ его пошагового уточнения с одновременной увязкой значений параметров емкости водохранилища, водопотребления основных компонентов и их обеспеченностей _ Расчет параметров осуществляется на основе имитации работы водохранилища по диспетчерскому графику с использованием наблюденных те смоделированных гидрологических рядов.

В зависимости от постановки задачи чжлвнясго эксперимента выбираются параметры водохранилища и/или параметры Бодопотребления глмпонептов, а такта структура и-вид диспетчерского графика регулирования стока.

Для построения плана многолетнего регулирования предложен специальный вид диспетчерского графика, устанавливающий режим использования многолетней составляющей полезного объема.

Для исследования задачи проектирования Кштугановского водохранилища з состава имитационной модели реализованы блоки расчета водохозяйственных балансов на участках,моделирования речного стока, расчета водопотребления, оценки параметров качества воды.

В численном эксперименте рассматривались варианты полезного объема водохранилища от 2250 до 2825 млл.м3 согласно проектным данным.

Имитациониш эксперимент для различных вариантов правил регулирования стока проводился в два этапа. На первом этапе на основе оценки пригодности содн к водохранилищу по многолетнему ряду строилась гидрологическая модель в виде 1000-летнего статистического стокового ряда, определялись требования к отдачам проектируемого водохранилища и строился план диспетчерского регулирования.

На втором этапе для выбранных параметров и режима диспетчерского регулирования стока осуществлялось моделирование водохозяйственной обстановки в бассейне в разрезе отдельных участков к оценивались параметры обеспеченности компонентов и водоохранных понускоо.

Б результате исследований установлено, что в ближайшей и отдаленной (до 2010 года) перспективах развития ВХС водохозяйственные требования и ре-химы водоохранных попусков в среднем течении р.Белой будут удовлетворяться полностью (табл.1) даже при меньшей емкости регулирования Иштугановского водохранилища, чем задано.На уровне 1995 года достаточно иметь полезный объем 1850 млн.м3, на уровне 2010 года - 2100 мяк.к3.

Только на основе санлопусков при планируемых ракшах отведения сточных вод в среднем течении невозможно достичь нормативного качества воды, что требует ужесточения системы водоохранных мероприятий непосредственно на объектах.

Обобщенная оценка качества водных ресурсов на участках среднего течения р.Белой проводилась по значениям общих коэффициентов загрязненности (Белогуров В.П., Кандауров А.И., 1979) в среднем за многолетие и максимальному среднемесячно^. Выражение для общего. коэффициента загрязненности имеет вид:

л _ Л&к

( .0, если Суц £ С *

г г * с -е<*>

¡т.г.1 У У > ; С),ц>СуЛК

где Суц , С? - концентрация У -й примеси в I -ом створе участка в £ -й момент времени и соответствующие значения ПДК ; Т , I , количества расчетных интервалов времени, створов по водотоку., учитываемых показателей качества воды.

Расчетами по многолетним рядам установлена зависимость сред-нецноголотнего значения общего коэффициента загрязненности от величины емкости регулирования Иштугановского водохранилища (рьс.1).

На основании этого установлены пределк целесообразного зыоо-ра полезного объема. 5а минимельяое значение Ц^ принято установке ушсе з укояерида.чге, нозколстчцог. обеспечить водохозяйотвеняые треОоеанул с устаксвлокакн нормативами расчетной обеспеченности

Таблица I

Характеристика функционирования ВХС среднего течения реки Белой на уровне 2010 г.

Исследуемая характеристика

Значение показателя обеспеченности, % ~ Варианты3^.

1 г ! 2 ! з 1 4 | 5

I. Водоснабжение всех видов 100 ' 100 100 100 100

о к» • Орошение: - в среднем 75,0 75,0 75,и 75,0 75,0

течении

в зоне Нугушской ОС 75, и 75, и 75,0 75,и 75,0

3. Прудовое рисоводство 75,0 75,0 75,0 75,0 75,0

4. Рекультивациошше попуски

- со средним расходом 75,0 79,4 75,0 77,9 75,0

393 м3/с

- со средним расходом 97,1 98,5 95,6 97,1 97,1

270 ы3/с'

5. Санитарные расходы 42 ы3/с

- 'ниже г.Мелеуза 95,6 - 94,1 -,. - -

- шке.впадения р.Нугуи 97,1 95,6 95,6 94Д , —

- гогае г.Стерлитйиака 08.5 97,1 97,1 97,1

б. Санитараыо расходы по

специальному графику

- ниме г.Малоуза — -- - - . 97,1

- ниже впадения р.Нугуи - - - , 95,6

- гаке г.Стерлктамака - 95,6

7. Общие коэффициенты зя!*-

рязненаости

- средн. за весь период 0,320 0,341 0,370 0,373 0,13<

~ максимальн. средне-тес. 0,720 0,745 0,720 0,745 0,311

х)

1.3 - санпопуск обеспечикается йатупшопским Еодохрая.кпкгдеи

2.4 - сгдщодуск обеспечивается с^вкестиад яопускалщ Нзгугско&вкс-гс е Нугушского водограшглвд

5 - сптимизироЕаннне оааподуоли двух водохргяюгк^

Графики зависимости объема-санитарного попуска (а) и общего коэффициента загрязненности (б) в среднем течении р.Белой от величины полезной емкости Иштугановского водохранилища

Рис.1

яа уровнях 1995-2010 гг. Максимальное значение У^ах устанавливалось, исходя из водоохранной эффективности санитарного попуока из водохранилища согласно условию;

0>3^лУ) (3)

где (д \z~J- дополнительный экономический эффект от увеличения размера полезной емкости яа величину А V , вычисленного через расчетное снижение общего коэффициента загрязненности (Временная методика определения экономической эффективности затрат в мероприятия по охране окружающей среды, 1982) ; Зг V) - дополнительные приведенные затраты на увеличение объема водохранилища на величину Л V , вычисленные на основе проектных данных.

- Расчетами установлено,.что увеличение санитарного попуска не оправдывается с точки зрения дополнительных затрат на уволичепие . емкости водохранилища и водоохранный 'эффект не может быть достигнут дашь за счет увеличения: допуска (из условия (3) получено,что

\fmav: < \fmin.

Поэтому вариант выбора полезного объема при V = 2250 млн.м3 должен считаться достаточным с учетом отдаленной перспективы.

В четвертой главе проведено исследование задачи планирования и анализа водохозяйственной обстановки на близкайшую перспективу на примере объединенной ВХС Ставрополья.

Описывается детальная структура имитационной модели водохозяйственного баланса с учетом особенностей рассматриваемой ВХС. В ее составе выделено три основные подсистемы: участков верхней Кубани (ВК), Большого Ставропольского канала (БСК) и Невишюмксского канала в комплексе с Кубань-Егордыкскими оросительно-обводнителькы-№1 системами (НККЕООС).

Планом численного эксперимента было предусмотрено проведение исследований обеспеченности водными ресурсами различных компонентов, санитарной проточноста и подпиток ВХС в современных условиях и ближайшей (до 1995 г.) перспективе при различных: а) пропускных способностях головного сооружения БСК и Невкняомыосного качала г б) параметрах полезного объема Кубанского и Сенгилеевского водохранилищ ; в) расчетах водопотреблепия орошения в двух вариантах - на постоянные и переменные оросительные нормы»

Численные эксперименты функционирования ВХС проведены па примере календарюго ряда отока и метеафакторов за период с 1926 по 1380 гг. . . '/;'•,

Заборы в каншш и водохранилища моделировались с учетом складывающейся водности на расчетных участках р.Кубань и фактическом водопотребленки. Работа водохранилищ смоделирована на основа построенных диспетчерских графиков.

3 блоке "БСК" детально смоделирована работа компонента "0ро*> иияве"« Водопотрзбленвв орошаемого земдедалия расетаз'нг&яось на основе фактических данных гидрометеорологичзеккх Факторов по рат-

■■■■.■ " 18 роспективному ряду лет с учетом заданных площадей и структуры севооборотов по каждому водовыделу.

Анализ обеспеченности водными ресурсами основных компонентов ВХС, а'также данных по глубине и длительности ограничения водопо-дачи (табл.2) свидетельствует о том, что водопотреблеяие орошения по вариантам 1,3,5,6, рассчитанное на постоянные оросительные нормы, завышено. Разница в водоаогреблеклк при расчете на. постоянные и переменные оросительные нормы составляет на уровнях 1985, 1990 и 1995 гг. соответственно 125, '242, 199 шл.м3 в год. При этом помимо суммарной экономии водных ресурсов отмечаются более внеолие обеспеченности и степени удовлетворения потребностей в перебойные годы. Обеспеченность водоснабжения всех видов, санитарных попусков и подпиток выдержана на.уровне 100$.

Проведенные исследования позволили сделать вывод, что при принятых темпах развития водопотреблекия в бассейне верхней Кубани и намечаемых технических мероприятиях удается полностью обеспечить развитие орошения и товарного рыбопроизводства даке при меньших параметрах реконструируемых гидротехнических сооружений, чем планируется. ,

. Б качестве рекомендуема параметров .следует принять: пропустив способности БСК и НК соответственно 220 и 135 м3/с ; . полезные объемы Кубанского и Сенгилеевского водохранилищ -820 и 2S0 кдн.м3.

Э трто^ главе ..рассматриваются задачи текущего планирования ВХС на примере верхнего и среднего течения р.Белой, даются предложения по разработке АСУ водохозяйственного и водоохранного комплексов. . ..•"■.■'''■.••.,.;".• " - •'•■' '

. Основными задачами, данного уровня планирования и управления ВХС ябляотся: прогноз приточностк. но основным стаорагл бассейна ; роза, определение реж-юв в'одопотробления и водоотвёдения и'-опти- '.

Таблица 2

Обеспеченность и глубина ограничения водоподачн на нузды орошения и рыбного хозяйства в зоне объединенной Ставропольской ВХСх^

i Обеспеченность ло числу бесперебойных лет, % i Степень удовлетворения потребности в максимально

Sapii- «_i. ^щкт.нцй. год, „ %отщ нощ;__

,дгахг| ¿ОЕаШК |Зона НК-К300С ? ОС ВХС I Бона ECK j Бона НК-КЗСОС ? ОС ВХС

¡ороше- ; р/х ¡ороше- ; р/х ¡ороше-; р/х ¡ороше- ; р/х ¡ороше- j р/х ¡ороше- ; р/х (кие } пруды |ние { пруды {ние (пруды (ние | пруды (кие j npj^H ¡ние | пруды

I 74 78 91 . 91 69 72 95 . 89 92 97 95 96

2 94 94 85 87 80 82 95 97 88 94 93 97

3- 87 87 70 70 67 67 70 70 75 72 76 77

4 200 100 76 76 76 76 100 100 80 79 89 92

5 35 87 80 ; 81 72 76 70 70 82 ... 79 80 91

6, 87 37 85 85 78 78 94 97 86 ?9 92 91

7 87 87 85 85 77 81 71 70 76 73 77 85

8 89 89 85 85 78 78 96 97 86 79 92 91

^ Обеспеченность водоснабжения, санпопусков, подпиток малых рек - 100$

^ 1-2 - на уровне 1985 г.; пропускные способности ECK - 180 м3/с, НК - 75 м3/с ; полезные объемы Кубанского водохранилища - 500 млн.м3, Сенгилеевского - 260 шн.ы3

3-4 - на уровне I9S0 г.; ECK - 220, НК - 135, Кубанское водохранилище - 820, Сеягилеевское - 238 5-7 - на уровне IS95 г.; БСК- 220, НК- 135, Кубанское водохранилище - 820, Сенгилеевское - 340 $-8 - - " - БСК - 260, НК - 135, Кубанское водохранилище - 820, Сенгилеевское - 290

мизация работы водохранилищ..

Предложенная структура планирования ВХС,. включающая задачи двух уровней: I) годового и сезонного планирования режимов ВХС:; 2) планирования попуоков водохранилищ на текущие месяц и декаду..

Первый уровень включает задачи оптимизации пропуска половодного стока, планирования водохозяйственного баланса на период межени, оптимизации режимов санитарных попусков водохранилищ и во-доотведенкя в течение года.

Второй уровень включает те ке задачи, но решаемые. на скользящем, более мелком, временном интервале в ренине пошаговой коррекции принятых на предыдущем шаге решений в условиях фактических значений параметров гидрологической и водохозяйственной обстановки.

Для построения расчетных гидрографов дриточности реализованы статистические регрессиошше модели, адаптируемые на основе оперативных прогнозов гидрометеорологических факторов.. С использованием предложенной системы моделей проведены численные эксперименты управления Кштугановсюш водохранилищем с цель» определения возможности и эффективности диспетчерского регулирования стока.

В качестве условий решения задач принято:-

а) обеспечение достаточных водных ресурсов в водохранилищах на каждый текущий момент для обеспечения заданных режимов водопот-ребления и санитарных попусков;

б) обеспечение наилучшего режима санитарных попусков с учетом прогнозируемого поступления загрязнений с боковыми притоками и сбросами сточных вод;

в) обеспечение срезки пиковых расходов в расчетных створах для больших половодий и максимальной аккумуляции талого, стока в водохранилищах- - для малых- половодий.

Для оптимизации санитарных попусков водохранилищ задача формулируется в постановке {Белогуров В.П., Кандауров А.И., 1973):

■ найти такую последовательность управляющих воздействий (попусков из водохранилищ и режимов отведения сточных вод) > }

■ ё = , где ¿_ - число управляющих воздействий, 7~ - продолжительность периода Планирования, минимизирующую функцию

(4)

где Су£+ - концентрат $ -го вещества на с -ом участке реки в -й момент времени; £.т± - веданные прогнозные значения внешних воздействий;

при известной математической модели объекта ^С^ёс, %/ш)

и ограничениях, обусловленных правилами сработки кахдого водохранилища, требованиями водопотребления, пропускной способностью водохранилищ, условий начального и конечного наполнений.

В качестве функции г в (4> используется тахы.,, где сС. -общие коэффициенты загрязненности:»

Расчеты проведены на примере конкретных лет различной водности, взятых из ретроспективного ряда^ Для рассмотренных лет» независимо от водности, удается практически выровнять картину по водохозяйственному балансу и обобщенным показателям качества воды.Тем самым обоснована эффективность диспетчерского регулирования стока на основе решения предложенных зад.ач.

На основе оптимизационных расчетов установлены правила дифференциации санитарных попусков между водохранилищами в различные сезоны года и проведены водохозяйственные расчеты многолетнего регулирования. Эти расчеты (вариант 5 в таблЛ) показали, что при тех же показателях обеспеченности основных компонентов, что и в других вариантах, общиа коэффициенты загрязненности могут быть снижены более, чем б 2 раза»

Анализ структуры а функционирования ШО ¿аосейяа р.Белойясз-волил разработать основные принципы зостроедая АСУ водохозяйственного и водоохранного комплекса»

АСУ БК р.Белой представлена а виде организационной и функциональной структур управлений, В функциональной структуре ввделено пять подсистем: прогнозирования наличия водных ресурсов в бассейне и оценки их качества; перспективного планирования развития. ВХС ; текущего и оперативного планирования использования и охраны водных ресурсов оперативного управления объектами» расположенными в бассейне; учет, контроль и анализ использования и охраны водных ресурсов.

Каждая из подсистем рассматривается как комплекс задач, решаемых с помощью оШ. Организационная структура строится; по. иерархическое принципу и ориентируется на сложившуюся систему сбора информации и принятия решений в бассейновых водохозяйственных объединениях с частичным изменением их функций и усовершенствованием этой системы в. условиях АСУ.

ВЫВСШ И ПРЕДПОШЛИ

I. Проведен анализ системы и задач водохозяйственного планирования ВХС бассейнов рек и предложена технология для решения задач водохозяйственного планирования на базе ЭВМ. Основу технологии составляет математическое и программное обеспечение базовой имитационной модели для водохозяйственных' исследований, которая построена на модульной основе.,

2К Предложен способ, унифицированного представления общего алгоритма функционирования ВХС в структуре базовой имитационной модели, на основе которого реализован пакет вычислительных алгоритмов и программное обеспечение для решения водохозяйственных и во-, доохраиных- задач управления ВХС..

3.. Предложена методика численного эксперимента по разработке правил управления водохранилищем многоцелевого назначения и исследованию параметров ВХС.

4. Разработана имитационная модель и реализованы численные эксперименты для решения задачи обоснования параметров и рачсима перспективного функционирования Иоттугановского водохранилища па р.Белой.

В результате исследований установлены параметры обеспеченности основных компонентов, правила регулирования стока, требуемые параметры емкости регулирования на различных перспективных уровнях. Установлено, что увеличение полезного объема с 2250 до 2825 млн.м не дает ожидаемого водоохранного эффекта.

На уровне 1995 г. оптимальное значение полезного объема равно 1850 шш.м3, на уровне 2010 г. - 2100 млн.м3.

5. Разработана имитационная модель и реализованы численные эксперименты для проверки обеспеченности водными ресурсами развития орошения и товарного рыбоводства в бассейне верхней Кубани на ближайшую перспективу с учетом водоохранных требований. Проведенными исследованиями установлена требуемые параметры реконструируемых объектов (Кубанского и Сенгилеевского водохранилищ и пропускные способности БСК и Невинномысского канала), достаточные для обеспечения нормативного недопотребления, гарантийных санитарных попусков и подпиток малых рек в зоне Ставропольской ВХС на уровнях 1990 и 1995 гг.

6. Смоделированы задачи планирования и управления ВХС в текущих условиях водности. Структура задач построена на примере ВХС бассейна среднего течения р.Белой и включает задачи: расчета пропуска половодного стока, распределения водных ресурсов в период межени, оптимизации санитарных попусков. Проведенными исследованиями установлены правила регулирования стока и санитарных попусков водохранилищ, позволяющие существенно снизить расчетные показатели качества воды

в р.Белой. Даны предложения по разработке структуры АСУ водохозяйственного и водоохранного комплексов бассейна р.Белой.

7. Практическая реализация исследований использована в проех-

тировании. Вариантные обосновывающие расчеты, рекомендации и прог • раымное обеспечение внедрены в проектных институтах Шгипроводхоз, Росгидроводхоз, СевКавгилроводхоз.

8. Предложенное методическое и программное обеспечение колет использоваться для внедрения в системах автоматизированного проектирования, а также в разрабатываемых АСУ бассейновых водохозяйственных объединений.

СПИСОК РАБОТ, ОПтаЖОВАКНЫХ ПО ШЕ ДИССЕРТАЦИЙ

1. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. О применении искусственных гидрологических рядов к расчету водохранилищ многолетнего регулирования //Использование ЭВМ в разработке математических методов управления водным хозяйством. - Новочеркасск: Иэд.КШйГиМа, I980.-C.3~26

2. Косолаяов А.Е., Кувалкин A.B. О выборе критерия для имитационных экспериментов с математическими моделям! ВХС //Совершенствова-лие методов эксплуатации гидромелиоративных систем.. - Новочеркасск: Изд.ХШШГиМа, IS8I. -C.7I-79

3. Косолапов А.Е., Кувалкин A.B..Регулирование высоких половодий на р.Дон //Сове1шенствоБание методов эксплуатации гидромелиоративных систем. - Новочеркасск: Изд.ЮкНИИГаМа, IS3I. - С. 42-48.

4. Косолапов A.B., Кувалкин A.B. Разработка типового математического обеспечения для имитационного моделирования сложных водохозяйственных задач //Реконструкция, капитальный ремонт и техническое совершенствование оросительных систем. - Новочеркасск: Изд. ШШ, 1982. - С.3-12.

5. Кдсаров О.П., Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Исследование режимов функционирования водохозяйственной системы бассейна реки на имитационной модели с учетом диналики ее развития //Хоэксы докладов Всесоюз. иаучно-техн.совещания "Состояние и задачи комплексного иенользовгушя водных ресурсов 'страны". - Минск: Изд.ЦШтКиУРа,

■ 1ЭВ6. - С.65.

6. Косолапов-А.Е., Кувалюш A.B., Плотницкий К.А. Программный •комплекс, моделирующий водохозяйственную обстановку в бассейне реки: Проспект ВДНХ /УралНИИВХ, ВЦ ШЭДИГиМ. - Свердловск, 198?.-3 с.

7. Косолапов А.Е., Кувалкш A.B. Базовая имитационная модель для водохозяйственных исследований /Использование '¿Ш в планировании ц управлении водохозяйственными системам и процессы эксплуатации оросительных систем. - Новочеркасск: Изд.Ш1ЖГиМа,1988.-С.11-17

8. Автоматизированная система управления водоохранной и водохозяйственной деятельности в бассейне peiai /А.Е.Косолалов, В.А.Богатырев, A.B.Кувалкш и др. ¿/Использование '¿Ш в планировании и управлении водохозяйственными системами и процессы эксплуатации оросительных систем. -Новочеркасск: Изд.ЮкНШГпМа, 1988. - С.3-10

9. Информационно-советующая система для регламентации водохозяйственной и водоохранной деятельности в бассейне peici /А.Е.Косо-лалов, А.В.КуЕалкин, И.Л.Плотницкий, В.Л.Богатирев //Тезксы докладов Всесояз.школы-семинара "Автоматизация научных исследований в проектировании ЛСУТП в мелиорации". - Фрупэо, 1988. - С.94-95

10. Автоматизированная хшформационно-ооветугадая система для регламентации водохозяйственной и водоохранной деятельностн в бассейне реки /А.Е.Косолалов, Н.А.Янгулова, А.В.Кувалкки и др. //Ин-форм.листок '.'шшодхоэа РСФСР. - Ростов-Новочеркасск: Изд.НПО "йг-мелиорация", IS88. - б с.

II» Косолапов А.Е., Кувалюш A.B. Исследование перспективных задач регулирования стока в бассейне р.Белой //Планирование и анализ водохозяйственных систем. - Новочеркасск: Изд.НПО "Югмолиора-ция", IS89. - C.3-II '

12. Косолапов А.Е., Кувалюш A.B. Принципы дрогршлшой роалл-зедии моделей ВХС и управления машинными экспериментами '//Охрана природных вод Урала. - Красноярск: СибНКИГиМ, 1939. - С.30-36

13. Имитационная модель водохозяйственной системы бассейна реки как средство анализа альтернативных вариантов использования водных ресурсов /А.Е.Косолапов, А.В.Кувалкин, И.А.Плотницкий и др. //Тезисы Всесоз.конф. "Современные проблемы планирования и управления водохозяйственными системами". - Новочеркасск: Изд. НПО "Югмелиорация", 1990. - С.50

14, Косолапов А.Е., Кувалкин A.B. Выбор параметров элементов диспетчерского графика управления водохранилищем на имитационной модели //Охрана природных вод Урала. - 1990. - Л 19. - С.33-44