Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 627.8 : 556.18 :004

Оперативное управление водными ресурсами водохранилищ Ангаро-енисейского каскада ГЭС: безопасность, поддержка принятия решений, оптимальное управление

А.Л. Бубер,

научн. сотр. ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова Российской академии сельскохозяйственных наук»

г Москва, Россия

Аннотация

В данной статье предлагается многовариантный компьютерный подход и современные методы многокритериального поиска решения задачи оперативного управления водными ресурсами Ангаро-Енисейского каскада ГЭС. В статье приведено описание проблемы, содержательная постановка задачи, требования к информационному и программному обеспечению, а также математическая модель для Ангарской части бассейна.

Описание проблемы

В бассейнах крупных рек с большим количеством русловых гидроэнергетических водохранилищ необходимо, с одной стороны, принимать оперативные решения по взаимоувязанному пропуску через гидроузлы половодной и паводковых вод, с другой - обеспечивать гарантированную водоподачу всем потребителям и пользователям в период межени. Характерным примером объекта, требующего решения подобной задачи, является Ангаро-Енисейский каскад (АЕК) ГЭС. При этом, с учетом прогнозируемой и реальной приточности к водохранилищам каскада, необходимо выдержать следующие требования участников водохозяйственной системы (ВХС) к расходам и уровням воды в бьефах гидроузлов [1… 3]:

не допускать форсированные сверх отметок НПУ уровни в водохранилищах до полного исчерпания пропускной способности водосбросных сооружений;

при осуществлении хозяйственной и иной деятельности выдерживать предельные уровни наполнения воды в озере Байкал 457 м и сработки 456 м (Постановление Правительства Российской Федерации № 234 от 26 марта 2001);

не допускать сброса в нижние бьефы гидроузлов расходов воды, приводящих к ущербам от затопления освоенных пойменных земель;

обеспечивать энергетический попуск в объемах, определяемых правилами использования водных ресурсов водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада ГЭС;

обеспечивать требования водопользователей (санитарный, транспортный, сельскохозяйственный, рыбохозяйственный попуски) в объемах, определяемых правилами (недопустима урезка попусков ниже комплексных или санитарных сверх предусмотренной правилами);

выдерживать рыбохозяйственные попуски в период нереста, не допуская, при этом, даже кратковременных понижений уровня воды в водохранилищах для предотвращения осушки икры туводных рыб;

обеспечивать водопотребителей с согласованной надежностью (недопустима урезка подачи воды потребителям сверх предусмотренной правилами);

обеспечивать наполнение всех русловых водохранилищ до НПУ к концу половодья;

Во многих случаях как в маловодные, так и в высокие половодья нет однозначного плана и необходимо принимать решение из нескольких компромиссных вариантов, в каждом из которых нарушаются требования тех или других участников водохозяйственной системы.

В современной эксплуатационной практике такие решения, как правило, принимаются на основе диспетчерских графиков управления, разработанных на основе многолетних гидрологических рядов и опыта управления водными ресурсами бассейна в прошлые годы, но без глубокого учета фактического и предстоящего притока воды, что не обеспечивает эффективного оперативного вмешательства в процесс.

Реализация предлагаемой технологии позволит решать в оперативном режиме следующие проблемы: гармонизировать энергетические, транспортные, водохозяйственные, рыбохозяйственные и природоохранные (экологические) попуски, обеспечить безопасный для сооружений, населения и хозяйств в долине реки пропуск половодья через гидроузлы АЕК, обеспечить компьютерную поддержку управления в реальном времени для лиц, принимающих решения (ЛПР).

Содержательная постановка задачи

Расчетная схема включает 7 водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада ГЭС (оз. Байкал плюс Иркутское, Братское, Усть-Илимское, Богучанское, Саяно-Шушенское, Майнское (контррегулятор) и Красноярское водохранилища). В качестве расчетного интервала времени могут быть выбраны сутки, пентада, декада или месяц. Расчетный период выбирается в зависимости от решаемых тактических или стратегических задач. Это может быть половодье, летняя или зимняя межень, в целом год и т.д.

Стратегия оперативного планирования и управления водными ресурсами АЕК ГЭС реализуется на основе следующей последовательности действий.

Предположим, что до текущего времени уже определено управление, то есть, осуществлены сбросы в нижние бьефы гидроузлов и сформированы попуски до конца расчетного периода, которые устроили ЛПР (удовлетворены в приемлемом виде все потребители и пользователи). Тогда, для осуществления стратегии управления на следующие сутки, необходимо выполнить приводимую ниже технологическую цепочку:

1. На основе краткосрочного (на 7 дней) и долгосрочного (до конца расчетного периода) прогнозов и компьютерной модели стока формируются обновленные гидрографы боковой приточности (посуточные) к акваториям водохранилищ.

2. На основе выполненного в п.1 прогноза стока и текущего состояния системы для всех водохранилищ и для всех оставшихся до конца половодья интервалов времени формируется веер задач водохозяйственного расчета (ВХР), в результате решения которых при помощи многокритериального подхода, основанного на выборе компромиссных решений, определяется посуточная стратегия попусков из водохранилищ и подача воды потребителям до конца расчетного периода.

Каждая из задач включает:

критерий максимизации суммарной выработки АЕК ГЭС за расчетный период;

балансовые уравнения с учетом времени добегания для всех водохранилищ и всех оставшихся интервалов времени;

ограничения на уровни воды в водохранилищах (УМО, НПУ, ФПУ и т.д.);

ограничения на попуски из водохранилищ (энергетический, транспортный, рыбохозяйственный, санитарный и т.д.);

ограничения на заявленный забор воды (гарантированный и допустимая урезка) потребителями (в Ангаро-Енисейском бассейне забор воды потребителями незначителен и им можно пренебречь).

Решением каждой задачи ВХР являются допустимые относительно этих ограничений попуски из водохранилищ и заборы воды пользователями до конца расчетного периода, которые максимизируют выработку электроэнергии. Задачи отличаются одна от другой принятыми ЛПР приоритетами для потребителей и пользователей, что выражается в системе ограничений на попуски и уровни воды в расчетных створах.

Список задач, необходимых для решения, формирует в интерактивном режиме ЛПР в зависимости от получаемых при решении стратегий управления.

3. На основе полученных решений и оценки отраслевых ущербов ЛПР определяет стратегию управления на следующие сутки, пентаду и до конца расчетного периода и дает команду на выполнение попусков в предстоящий интервал времени.

4. В случае, когда приемлемого решения нет, требуются коллегиальные обсуждения и принятие форс-мажорных решений.

5. Принятые краткосрочная и долгосрочная стратегии управления проверяются на гидродинамической модели Ангаро-Енисейского каскада ГЭС для уточнения уровенных и расходных режимов с целью предотвращения (или минимизации) возможного затопления земель и нарушения других предельно допустимых параметров системы.

6. Процесс пересчета выполняется ежедневно до конца расчетного периода группой компьютерной поддержки оперативного управления совместно с ЛПР.

Требования к информационному обеспечению.

Информационное обеспечение для создания, калибровки, тестирования имитационно-оптимизационных моделей и выполнения расчетов должно включать:

посуточный мониторинг расходных и уровенных режимов в бьефах гидроузлов АЕК и в опорных створах на основных притоках Ангары и Енисея;

многолетние (не менее 20 лет) ряды средних месячных, средних декадных (за половодье) и средних суточных (за период основной половодной волны) расходов и уровней воды в нижних бьефах всех гидроузлов, во входных створах верхних водохранилищ каскадов (Озеро Байкал, на Ангаре и Саяно-Шушенское водохранилище на Енисее), а также в нижних (ближайших к устьям) створах основных рек, впадающих в водохранилища;

количество осадков, испарение, фильтрация в нижние бьефы гидроузлов для всех водохранилищ;

кривые связи расходов и уровней воды в нижних бьефах гидроузлов (с учетом их «посадки» в результате размыва русла), а также в промежуточных створах, то есть в опорных гидрологических пунктах на водохранилищах (экстраполированные до максимальных подпорных отметок) и в нескольких створах на реках, впадающих в водохранилища;

поперечные профили, включающие русло и долину реки до максимальных подпорных отметок;

правила (или проект правил) использования водных ресурсов каждого водохранилища Ангаро-Енисейского каскада ГЭС для половодья, навигационной и зимней межени, включающие отраслевые требования к расходам и уровням воды в бьефах гидроузлов [4…7];

расходные и мощностные характеристики турбин и сведения об их количестве, установленной мощности и ограничениях по напору;

данные о длине полыньи в нижних бьефах ГЭС за разные годы (и помесячно) и зимнем коэффициенте К_з на кромке льда;

отчетные данные о расходах и уровнях воды в бьефах гидроузлов, а также о расходах воды через турбины, их мощности (средней суточной и средней декадной) и выработке электроэнергии за расчетные интервалы времени.

компьютерный водный ангарский бассейн

Требования к программному обеспечению

Для выполнения в оперативном режиме предлагаемой выше стратегии планирования и управления водными ресурсами необходимо использовать следующие компьютерные технологии и модели для поддержки принятия решений:

ведение детального посуточного мониторинга расходных и уровенных режимов в опорных и расчетных створах Ангаро-Енисейского бассейна;

гидродинамическая компьютерная модель речной сети и водохранилищ Ангаро-Енисейского каскада ГЭС;

компьютерная модель краткосрочного и долгосрочного прогноза стока рек Ангаро-Енисейского бассейна;

программы генерации и решения веера задач ВХР на основе многокритериального подхода для поддержки процесса принятия решений;

программы оценки отраслевых ущербов, визуализации результатов и выдачи стратегий оперативного управления для различных задач ВХР;

программная среда поддержки принятия решений для формирования по запросу ЛПР различных вариантов задач ВХР, их решения, оценки ущербов, визуализации результатов и сравнительного анализа вариантов.

В данной статье рассматривается наиболее сложный Ангарский участок (рис. 1) Ангаро-Енисейский каскад ГЭС (озеро Байкал, Иркутское, Братское, Усть-Илимское, Богучанское, водохранилища, устье р. Ангара). Ниже приводится математическая постановка проблемы формирования задач ВХР и многокритериальный подход выработки оптимального варианта для поддержки процесса принятия решений по планированию и управлению водными ресурсами Ангарской части АЕК.

Рис. 1. Расчетная схема (продольный профиль) Ангарского каскада ГЭС

Определения:

i = 1 - Байкал + Иркутское водохранилище, 2 - Братское водохранилище, 3 - Усть-Илимское водохранилище, 4 - Богучанское водохранилище; t = 1T - расчетные интервалы времени; T - расчетный период; - критерии (требования) для i-го водохранилища; = 1 K_i, K_i - количество критериев для i-го водохранилища; F - обозначение функциональной зависимости между параметрами.

Исходные данные:

- приточность (боковая приточность) к i-му водохранилищу;

- объем i-го водохранилища на начало первого интервала времени;

- номинальные требования для критерия по уровням i-го водохранилища;

- номинальные требования для критерия по попускам из i-го водохранилища.

Переменные:

- объем i-го водохранилища, в начале интервала времени t (t > 1), для i = 1 -объем оз. Байкал;

- попуск из i-го водохранилища, в интервал времени t (t < T);

- отметка озера Байкал в интервал времени t;

- отметка верхнего бьефа i-го водохранилища, в интервал времени t;

- отметка нижнего бьефа i-го водохранилища, в интервал времени t.

Параметры:

- весовые коэффициенты, определяющие иерархию приоритетов при поиске компромиссных решений.

Уравнения:

Оз. Байкал + Иркутское водохранилище:

- выработка электроэнергии

Братское водохранилище:

- выработка электроэнергии

Усть-Илимское водохранилище:

- выработка электроэнергии

Богучанское водохранилище (современное состояние):

.

Функции нарушения требований (дефицита):

при ;

0 при

при

0 при

Критерии:

Максимизировать

;

Максимизировать

Максимизировать

В такой математической многокритериальной постановке решается задача поиска эффективных компромиссных стратегий, минимизирующих ущербы пользователей на основе применения метода достижимых целей [8, 9]. Данный метод в полном объеме был применен при разработке компьютерной системы поддержки органов управления водными ресурсами в процессе формирования и обоснования инвестиций для улучшения качества воды в волжском бассейне [10]. На рис. 2, 3 показаны карты поиска эффективных решений.

Библиографический список

1. Крицкий С. Н., Менкель М. Ф. Гидрологические основы управления водохозяйственными системами. - М.: Наука, 1982.

2. Водохранилища Сибири Ангаро-Енисейского бассейна. Справочник. Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации. - Красноярск: «Красноярский рабочий», 1987.

3. Гидрологические основы водопользования ресурсами малых рек бассейнов верхнего Енисея, верхнего Чулыма и Нижней Ангары. Сибирский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации. Рекомендации. - Красноярск: «Красноярский рабочий», 1990.

4. Основные положения правил использования водных ресурсов Красноярского водохранилища на р. Енисей. - М., 1971.

5. Основные правила использования водных ресурсов водохранилищ Ангарского каскада ГЭС (Иркутского, Братского и Усть-Илимского). - М., 1988.

6. Проект Правил использования водных ресурсов водохранилищ Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса. - СПб., 2001.

7. Проект Правил использования водных ресурсов водохранилищ Ангарско-Енисейского каскада ГЭС. - М., 2007.

8. Daniel P. Loucks and Eelco van Beek, with contributions from Jery R. Stedinger, Jozef P.M. Dijkman, Monique T. Villars. Water Resources Systems Planning and Management. An Introduction to Methods, Models and Applications. Studies and Reports in Hydrology, UNESCO publishing in 2005 by the United Nations Educational. (Даниэль П. Лаукс, Еелко ван Биик при участии Джерру Р Стедингера, Джозефа П.М. Дьюкмана, Моники Т. Вилларс Планирование и управление водохозяйственными системами. Введение в методы, модели и приложения. ЮНЕСКО, 2005 г.)

9. . Лотов А.В, Бушенков В.А., Каменев Г.К., Черных О.Л.. Компьютер и поиск компромисса. Метод достижимых целей. - М.: Наука, 1997.

10. Lotov A.V, Bourmistrova L.V., Efremov R.V., Bushenkov V.A., Buber A.L., Brainin N.A.. Experience of model integration and Pareto frontier visualization in the search for preferable water quality strategies. Environmental Modelling & Software 20 (2005) 243-260, The Australian National University, Australia. (А.В.Лотов, Л.В. Брумистрова, Р.В. Ефремов, В.А. Бушенков, А.Л. Бубер, Н.А. Брайнин. Опыт интеграции моделей и визуализация границ Парето в поиске предпочтительных стратегий качества воды. Моделирование задач охраны окружающей среды и Программное обеспечение, 20 (2005) 243-260)

Размещено на Allbest.ru