книги из ГПНТБ / Резниковский, А. Ш. Управление режимами водохранилищ гидроэлектростанций

Значительной трудностью в оценке принимаемых ре­ шений является тот факт, что физический эксперимент в сложных системах практически неосуществим из-за его большой стоимости, а в экономических системах изза невозможности его проведения. Поэтому особый инте­ рес при проектировании и эксплуатации сложных систем и водохозяйственных систем в частности представляют методы статистического моделирования (эти методы ча­ сто называют методами Монте-Карло или методами ста­ тистических испытаний).

Это признает известный сторонник аналитических ме­ тодов в водохозяйственных расчетах Н. А. Картвелишвили, который в своей последней книге [Л. 37] писал: «Наи­ более простым, с вычислительной точки зрения, методом расчета в сложных случаях сейчас является прямая оп­ тимизация по ансамблю реализаций процесса стока», т. е. по совокупности выборок, смоделированных методом Монте-‘Карло.

По свидетельству Н. П. Буеленко [Л. 16], «метод ста­ тистического моделирования позволяет решать весьма сложные задачи и обладает существенными преимущест­ вами перед аналитическими методами и другими видами моделирования». Особую роль статистическое модели­ рование играет при решении задач управления, в том числе и автоматизированного. С его помощью можно обоснованно выбрать близкие к оптимальным алгоритмы управления, оцепить эффективность различных принци­ пов и надежность управления.

Следует заметить, что метод статистического модели­ рования [Л. 16] « . . . обладает и существенным недо­ статком: решение всегда носит частный характер. Оно соответствует фиксированным значениям параметров си­ стемы и начальных условий». Одной из важных проб­ лем в теории сложных систем является выбор моделей, которые «. . . с одной стороны, достаточно полно отра­ жали бы протекание процессов в реальной системе и в этом смысле были бы достаточно сложными, а с дру­ гой стороны, были бы достаточно просты, чтобы их мож­ но было описать и исследовать с целью получения ре­ зультатов в обозримое время» [Л. 25]. При этом в первую очередь имеется в виду быстродействие и емкость памя­ ти используемых для решения задачи вычислительных машин. Этот фактор в ряде случаев становится главен­ ствующим при выборе моделей.

20

Применение методов статистического моделирования к решению задачи управления режимами при эксплуата­ ции водохозяйственных систем с ГЭС и водохранилища­ ми является основой данной работы.

Весьма условно эту задачу можно разбить «а сле­ дующие части.

1. Исследование статистических и физических зако­ номерностей колебаний речного стока, количественная оценка по небольшим наблюденным выборкам основных характеристик (параметров распределения) стока и раз­ работка практически приемлемых и теоретически доста­ точно строгих методов и схем математического описания и программ статистического моделирования речного сто­ ка на вычислительных машинах. Проведение аналогич­ ных исследований и оценок для некоторых видов водо­ потребления, зависящих от случайных геофизических причин.

2.Разработка способов и алгоритма оценки целевой функции, которую требуется оптимизировать при выборе параметров и метода управления режимами эксплуата­ ции системы.

3.Оптимизация режимов работы водохранилищ группы гидроузлов системы в условиях различных вод­

ности рек и водопотребления за весь рассматриваемый период развития системы.

4. Обобщение полученных материалов в оптимальные правила принятия решения при проектировании и экс­ плуатации водохозяйственных систем в условиях, когда водность рек на предстоящий период развития системы, некоторые виды водопотребления и другие характери­ стики системы (в том числе и экономические) не извест­ ны.

Выделенные выше части задачи оптимизации разви­ тия и управления режимами работы водохозяйственных систем неравнозначны по трудоемкости, сложности, раз­ работанности и значимости. Данное деление задачи на отдельные части, конечно, является условным, но пред­ ставляется удобным для последующего изложения. В не­ которых предложенных в настоящее время методах ре­ шения рассматриваемой задачи отдельные ее части мо­ гут быть объединены воедино [Л. 35, 72].

Первой части задачи в вышепредставленной класси­ фикации посвящено весьма значительное число исследо­ ваний как в СССР, так и за рубежом. В течение ряда

21

лет такие работы выполнялись в «Энсргосетьпроекте» (см., например, [Л. 21]), в ИБП АН СССР, в ГГИ и др. В настоящей работе основное внимание будет уделено особенностям водопотребления « водопользования с точ­ ки зрения детерминированности или случайности их ха­ рактеристик. Небольшие обобщения выполненных иссле­ дований будут даны и применительно к характеристикам речного стока.

Для анализа и разработки средств управления систе­ мой прежде всего необходимо установить цель управле­ ния (вторая часть задачи). В конечном итоге цель управ­ ления требуется формализовать в виде целевой функции и найти условия, при которых эта цель может быть достигнута, т. е. нужно найти и сформулировать обяза­ тельные ограничения при решении задачи. Обычно в за­ дачах управления работой энергетических и водохозяй­ ственных систем с водохранилищами при анализе си­ стем устанавливают зависимости суммарных затрат в них от величины и распределения отдач гидроузлов. При этом в сложных энергетических и водохозяйственных си­ стемах необходимо оценить: изменения затрат на тепло­ вых электростанциях системы, работающих «а разном топливе и имеющих различные характеристики оборудо­ вания; учесть потери и пропускные способности линий электропередач системы; учесть требования .и затраты неэнергетических участников водохозяйственного комп­ лекса; рассмотреть вопросы покрытия балансов мощно­ сти и энергии отдельных энергоузлов системы, вопросы распределения между станциями ремонтных, аварийных и нагрузочных резервов системы и т. п.

iB результате такого исключительно сложного анали­ за удается получить искомые зависимости затрат систе­ мы от величины и распределения отдач гидроузлов, ко­ торые и могут быть в дальнейшем использованы в каче­ стве целевой функции, подлежащей оптимизации. При этом требования компонентов водохозяйственной систе­ мы в обеспечении водой чаще всего принимаются в виде обязательных ограничений режима работы водохрани­ лищ.

Правильная постановка этой задачи для наиболее общего случая комплексной водохозяйственной и энер­ гетической систем, скорое и приемлемое для практики ре­ шение этой задачи представляется совершенно необхо­ димым. Одним из наименее изученных и наиболее важ­

22

ных вопросов здесь является определение экономической эффективности использования воды, ущербов от недода­ чи воды тому или иному потребителю или оценка ущер­ бов от неоптимальных режимов ее предоставления. Все эти вопросы в данной работе рассмотрены достаточно конспективно, в основном с позиций постановки задачи и отыскания возможных путей их решения (см. § 4-4).

Третья часть задачи подробно исследована многими авторами, особенно для случая одиночных водохрани­ лищ сезонного регулирования речного стока. Можно ука­ зать и на многие весьма подробные и тщательные раз­ работки по оптимизации режимов для группы водохра­ нилищ. Достаточно полные обобщения этих исследований можно найти в [Л. 10, 18, 50, 68, 72].

Оптимизация режимов работы водохранилищ сводит­ ся к отысканию такого распределения отдач гидроузлов в течение времени, которое позволило бы получить ми­ нимум целевой функции при удовлетворении ряда требо­ ваний (ограничений) энергетической и водохозяйствен­ ной систем.

В данной работе методы оптимизации не анализиру­ ются, а лишь используются при разработке отдельных иллюстративных примеров, взятых из проектной практи­ ки авторов. -

Основным в книге является исследование четвертой части задачи. Полученные в результате оптимизации ре­ жимы работы водохранилищ являются исходными дан­ ными при разработке обобщающих рекомендаций для управления их работой при эксплуатации системы. Эти обобщения или правила управления являются в извест­ ном смысле стратегией управления режимами работы системы. Они позволяют принимать наиболее ответст­ венные решения с наименьшим риском, с учетом послед­ ствий на достаточно продолжительный период времени.

Таким образом, главной целью данной книги являет­ ся исследование методов управления режимами работы каскадов водохранилищ в сложных водохозяйственных системах при невозможности прогнозировать речной сток и некоторые виды водопотребления на весь цикл регули­ рования. Указанное исследование проводится «а базе статистического моделирования как процесса речного стока, так и отдельных видов водопотребления и водо­ пользования. Для выявления, какие виды водопотребле­ ния требуют статистического моделирования, у каких

23

ВоДопотребителей имеется возможность регулирования потребления без помощи водохранилищ, например с по­ мощью складов готовой продукции, в следующей главе будет дан анализ отдельных водоротребителей и водо­ пользователей именно с этих позиций. Там же будут приведены и основные характеристики речного стока как случайного процесса и будет дан краткий обзор совре­ менных приемов оценки статистических характеристик случайных процессов по данным наблюдений небольшого объема. В гл. 3 будут приведены обзор существующих и описание рекомендуемых для водохозяйственных систем методов статистического моделирования случай­ ных процессов. В гл. 4 книги описаны основные показа­ тели режима работы комплексных гидроузлов, исполь­ зуемые при проектировании и эксплуатации водохозяй­ ственных и энергетических систем. Приведены приемы, применяемые для их оценки в проектной практике и при эксплуатации. Пятая глава книги посвящена непосредст­ венно методам управления режимами работы водохра­ нилищ в сложных водохозяйственных и энергетических системах, т. е. методам управления, с помощью которых выбранные при проектировании показатели системы мо­ гут быть получены при ее эксплуатации в условиях от­ сутствия долгосрочных прогнозов речного стока и неко­ торых видов водопотребления.

Г л а в а в т о р а я

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ВОДОХОЗЯЙСТВЕННЫХ СИСТЕМАХ

2-1. Характеристики водопотребления и водопользования

В водохозяйственных системах водные ресурсы ис­ пользуются различными в о д о п о т р е б и т е л я ми и во­ д о п о л ь з о в а т е л я м и . К в о д о п о т р е б и т е л я м от­ носят таких участников водохозяйственных комплексов, которые используют воду как вещество и изымают ее из данного водоисточника на достаточно длительный срок, возвращая ее в водооборот иногда в другой бассейн или

забора. Многие водопотребители возвращают воду в ис-

24

точник существенно худшего качества и с меньшим энер­

ной системы. Вероятность возвращения ее в данную реку в виде осадков очень мала, а проследить путь такого пе­ ремещения воды крайне трудно.

Масштабы роста безвозвратных потерь в водном хо­ зяйстве СССР в ближайшем будущем были охарактери­ зованы в предыдущей главе. Приведенные там данные свидетельствуют о вероятно существенном росте безвоз­ вратных потерь воды в ближайшие 20—30 лет. Суммар­ ная их величина, видимо, вскоре будет соизмерима с ус­

коммунальное, сельскохозяйственное, транспортное и промышленное [Л. 32]. В большинстве крупных городов и поселков имеющееся централизованное водоснабжение используется и для снабжения населения питьевой во­ дой, и для коммунальных целей, и нередко для транс­ портного и промышленного водоснабжения. Процесс централизации водоснабжения позволяет объединить в

к подготовке воды в отдельных случаях могут быть раз­ личными. Следует заметить, что способы водоотведения после различных видов водоснабжения существенно мо­ гут отличаться друг от друга. Так, например, после водо­ снабжения промышленных предприятий, особенно хими­ ческих, возвращающаяся в источник вода существенно меняет свой состав, а после водоснабжения тепловых и атомных электростанций — температуру. График водо­ снабжения в течение года имеет сравнительно неболь­ шую неравномерность, повышаясь в летние месяцы года и снижаясь зимой. В многолетнем разрезе обычно водо­ заборы для целей водоснабжения неизменно возрастают. Имеет место также некоторая неравномерность водопотребления в суточном и недельном разрезе. Случайные геофизические факторы оказывают определенное, но не очень большое влияние на размеры и график водопотребления.

Важнейший характеристикой водоснабжения являет­ ся его надежность. Требования к надежности или обес-

25

нии и эксплуатации водохозяйственных систем характе­ ристиками детерминированными. Небольшие случайные флуктуации самого водопотребления могут быть полно­ стью зарегулированы собственными резервами систем водоснабжения, т. е. по сути дела складами готовой про­ дукции этого водопотребителя. Моделирование случай­ ных колебаний водопотребления при проектировании большинства комплексных водохозяйственных систем на данном этапе их развития не требуется.

Вторым крупным водопотребителем в водохозяйст­ венных системах является оро ше ние . Орошение зе­ мель необходимо в зонах с недостаточным увлажнением. Возможны два случая орошения:

1) когда естественное увлажнение за счет осадков и запасов влаги в почве настолько незначительно, что воз­ делывание сельскохозяйственных культур возможно только при их регулярных искусственных поливах;

2) когда размеры воды, необходимой для орошения земель в отдельные периоды времени, существенно зави­ сят от таких геофизических факторов, как осадки, дефи­ цит влажности почв и т. д. Искусственное орошение яв­ ляется здесь лишь дополнением к естественной, изменя­ ющейся из года в год увлажненности земель.

В первом случае общее количество воды, необходи­ мой для орошения, в отдельные годы примерно одина­ ково и зависит лишь от состава поливаемых культур и распределения погодных условий в период вегетации. Во втором случае количество воды, необходимое для ороше­ ния, существенно меняется от года к году и, по сути де­ ла, является характеристикой, зависящей от случайно изменяющихся геофизических факторов. Таким образом,

впервом случае водопотребление для целей орошения в значительной степени является характеристикой детер­ минированной, определяемой заблаговременно при про­ ектировании и эксплуатации водохозяйственных систем

взависимости от состава культур и размеров ороша­ емых площадей. Внутригодовое распределение водоза­ бора определяется графиками периодических поливов отдельных культур и массивов орошения, которые состав­ ляются при проектировании и эксплуатации ороситель­

ных систем. Случайные отклонения от указанных графи­ ков, которые имеют место в реальной жизни, незначи­ тельны, а их влияние на урожайность культур невелико. Очень часто эти отклонения могут быть компенсированы

27

аккумуляционными возможностями самих оросительных систем. Таким образом, в засушливых районах объем воды для целей орошения можно считать характеристи­ кой детерминированной с вполне определенным внутри­ годовым распределением графика забора воды из реки.

Во втором случае и общий объем воды для целей оро­ шения, и его внутригодовое распределение являются случайными характеристиками, зависящими от ряда гео­ физических процессов, прогноз которых с нужной забла­ говременностью затруднителен. Геофизическими процес­ сами, от которых зависят оросительные нормы в райо­ нах с переменной влажностью, являются: осадки и их внутрнсезонное распределение, сумма температур возду­ ха за вегетационный период, величина испарения и транс­ пирации, дефицит влажности почв и т. д. Зависимость оптимальных оросительных норм от сочетания указан­ ных изменяющихся климатических факторов исследова­ на недостаточно. По свидетельству [Л. 20], одной из при­ чин этого являлось преобладание в СССР-що недавнего времени развития орошения в сухих полупустынных и пустынных зонах, где, как указывалось выше, ороситель­ ная норма практически не изменяется в отдельные годы. Однако «... с широким развитием орошения в полузасушлпвых районах юга, .юго-востока и в центральной по­ лосе европейской части страны этот вопрос становится актуальным и требует своего решения» [Л. 20].

Как показано Б. А. Глейзером, с достаточным при­ ближением учет всего многообразия геофизических и климатических факторов в ряде районов можно заме­ нить учетом основного влияющего фактора— количества осадков в вегетационный период. Этот фактор в основ­ ном определяет объем воды, необходимый для орошения земель1, причем зависимость между количеством осад­ ков О и оросительной нормой р в широком диапазоне обеспеченности осадков обратная и с достаточным при­ ближением1ее можно принять линейной (рис. 2-1 [Л. 24]). При некотором минимуме осадков Отт (обычно этот минимум соответствует 95%-ной обеспеченности осадков) поливная норма соответствует ее полной величине для засушливых районов (р=1).

1 Сохранение «©изменяющихся из года в год поливных норм в таких районах приводит к переувлажнению почв, снижению уро­ жайности многих сельскохозяйственных культур, а в некоторых слу­ чаях и^к засолопению и заболачиванию орошаемых земель.

28

1Ро при P i< P 0-

Для получения статистических характеристик такого случайно изменяющегося водопотребления необходимо иметь ряд наблюдений за осадками в рассматриваемом районе. Они могут быть использованы для непосредст­ венного моделирования самих осадков с последующей

•их трансформацией в длинный ряд случайно изменяюще­ гося водопотребления. Таким образом эти данные ис­ пользовались в (Л. 24]. Другим путем, также уже исполь­

29