Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса определения противопаводковой емкости (трансформации паводка) водохранилища ирригационно-противопаводкового назначения 8
1.1 Существующие методы расчета противопаводковой емкости 8
1.2. Область применения разрабатываемой методики и выбор объекта исследования 27
Глава 2. Анализ и оценка гидрологических условий речного бассейна Краснодарского водохранилища 30
2.1. Основные характеристики объекта исследования 30
2.2. Условия формирования стока рек, питающих Краснодарское водохранилище 38
2.3. Анализ и оценка многолетних колебаний притока речных вод в Краснодарское водохранилище 48
2.4. Анализ и оценка внутригодового распределения притока речных вод в Краснодарское водохранилище 55
Глава 3. Стохастическое моделирование процесса речного стока и режима работы водохранилища 65
3.1. Выбор дискретности моделирования 68
3.2. Стохастическая модель притока речного стока в водохранилище комплексного использования 75
3.3. Верификация модели притока относительно точности исходной информации 77
3.4. Вспомогательная модель паводкового стока 91
3.5. Стохастическая модель функционирования водохранилища комплексного использования 99
Глава 4. Управление Краснодарским водохранилищем с учетом стохастического моделирования 107
4.1 Исследование традиционного способа регулирования паводкового стока водохранилищем комплексного использования 107
4. 2. Методика оперативного противопаводкового управления водохранилищем комплексного использования 116
4.3 Результаты применения методики оперативного противопаводкового управления водохранилищем комплексного использования на имитационной модели 123
Заключение 130
Литература 132
- Область применения разрабатываемой методики и выбор объекта исследования
- Условия формирования стока рек, питающих Краснодарское водохранилище
- Стохастическая модель притока речного стока в водохранилище комплексного использования
- Методика оперативного противопаводкового управления водохранилищем комплексного использования
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Во многих странах мира и в большинстве субъектов Российской Федерации безопасность жизнедеятельности населения в значительной степени зависит от катастрофических дождевых паводков. Ежегодно от таких паводков гибнут люди, и наносится существенный ущерб экономике. В России ярким примером этого являлся дождевой паводок, произошедший в 2002 году в бассейне реки Кубань. В результате паводка было подтоплено 130 населенных пунктов, разрушено около 70 тыс. домов, пострадало более 130 тыс. человек, в том числе 96 человек - с летальным исходом. Общий ущерб от паводка составил 8,65 млрд. руб. Одной из эффективных мер противодействия разрушительной силе паводков является противопаводковое регулирование стока водохранилищем. В настоящее время при создании и эксплуатации водохранилищ выделяется специальная противопаводковая емкость, предназначенная для задержания избытков речного стока, таким образом, любое водохранилище должно являться либо комплексным, либо специально противопаводковым.
Задача установления рационального режима работы водохранилища комплексного назначения, весьма сложна из-за противоречивого и неоднозначного характера его использования. В частности, при определенных режимах речного стока и водопользования, характерных для юга России, в различные по водности годы в одноименные фазовые периоды могут происходить как засухи, так и катастрофические паводки. В этих случаях, для целей орошения и водоснабжения в маловодные периоды водохранилище должно находиться в наполненном состоянии, а для задержания максимальных расходов катастрофических паводков должно быть достаточно опорожнено. Указанное противоречие может быть отчасти устранено при заблаговременных и точных прогнозах о сроках прохождения паводков, их объемов и характере гидрографа. Однако современный уровень
прогнозирования стока не может в полной мере обеспечить водное хозяйство соответствующими прогнозами.
Этим обуславливается целесообразность разработки максимально безопасных правил управления водохранилищами при использовании детальной оценки имеющейся информации о гидрологическом режиме водоисточника. Соответственно, в настоящей работе формируется методика противопаводкового регулирования стока на основе анализа формирования притока речных вод к водохранилищу, а также режима требований водопользователей.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка методики определения оперативных правил управления водохранилищем комплексного назначения в условиях паводкового режима, позволяющих достичь понижения вероятности аварии при регулировании максимального стока. Для достижения поставленной цели потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:
Анализ и оценка режима речного притока к водохранилищу;
Разработка математической модели притока речных вод к водохранилищу;
Разработка модели функционирования водохранилища комплексного назначения;
Разработка методики определения оперативных правил регулирования максимального стока водохранилищем комплексного назначения с учетом краткосрочных гидрологических прогнозов;
Методика и объект исследования. Общим методическим положением являются современные подходы к математическому моделированию режимов стока рек и функционирования водохранилища комплексного назначения. В качестве математического аппарата используется принцип имитационного стохастического моделирования с применением методов линейного программирования. В работе используются основные положения статистического анализа временных рядов.
Объектом исследования является Краснодарское водохранилище и сток питающих его рек, характеризующихся прохождением катастрофических паводков в период интенсивного водопользования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
представлена методика формирования безопасных и рациональных правил оперативного управления водохранилищем на основе имитационного моделирования функционирования водохранилища с использованием методов линейного программирования;
представлен вероятностный процесс стока по типу Марковской цепи с пентадной дискретностью;
получены новые режимные характеристики Краснодарского водохранилища по выделенным внутригодовым интервалам; Научная гипотеза, проверяемая в диссертационной работе,
заключается в следующем: возможны такие правила регулирования паводкового стока, отличные от традиционных и ранее применявшихся, при которых:
а) вероятность аварии на гидроузле будет уменьшена;
б) фактическая водоотдача и обеспеченность ее плановой величины будут стабильны при неизменных параметрах водохранилища;
Практическая ценность работы. На основе полученных результатов разработана методика оперативного управления трансформации паводка водохранилищем с учетом краткосрочных гидрологических прогнозов. Данная методика представляет собой инструмент для моделирования режимов функционирования водохранилищ, в различных сценариях изменяющихся лриродно-хозяйственных условиях. Предложенная методика может быть использована для построения диспетчерских правил управления водными ресурсами водохранилища Доступный инструментарий методики позволяет применение ее непосредственно на объекте без использования специального программного обеспечения. Применение разработанной методики позволяет уменьшить вероятность аварийной ситуации при прохождении катастрофических паводков. Результаты исследований приняты в Кубанском бассейном водном управлении для рассмотрения о внедрении в работу оперативных служб.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов моделирования и материалов наблюдений, а также использованием современных подходов имитационного моделирования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:
на заседании Кубанского бассейнового водного управлении и были приняты для рассмотрения о возможности внедрении в работу оперативных служб КБВУ (август 2009 г.),
на международной научно-практической конференции «Агротехнологии 21 века» (2007 г.),
на научно-технических конференциях МГУП (2006-2009 гг.),
3) на заседаниях кафедры гидрологии, метеорологии и регулирования стока (2006-2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, две из которых опубликованы в журналах, входящим в список ВАК.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, иллюстрированного 25 рисунками, и содержит 16 таблиц. Список используемой литературы состоит из 125 наименований.
Область применения разрабатываемой методики и выбор объекта исследования
Одной из основных функций водохранилищ комплексного назначения является защита от наводнений. При проектировании и эксплуатации таких водохранилищ необходимо характеризовать многоводный период как составную часть годового стока. Сложность определения противопаводковой, емкости и режимных параметров таких водохранилищ, проектируемых на водосборах с длительным паводковым- периодом, состоит в том, то практически невозможно однозначно охарактеризовать несколькими статистическими параметрами многопиковые гидрографы.
Длительный паводковый- период с несколькими большими пиками гидрографов характерен для многих рек мира. Такой режим, согласно выделенным Б. А. Зайковым [37] основным типам внутригодового распределения стока, имеют следующие водотоки: 1) Реки с весенним половодьем и летними паводками; 2) Реки с преобладающими летними паводками; 3) Реки субтропических районов с паводками в осенне-зимний период или-в течение всего года.
К первому типу относятся реки предгорных районов Кавказа, Средней Азии, Карпат и некоторых других районов, где высокий сток поддерживается в течение всего теплого полугодия. Типовые гидрографы- модульных коэффициентов- расходов таких рек представлены в работе Д.Л. Соколовского [92].
Ко второму типу режима стока относятся реки высокогорных районов с летними паводками, вызванными совместным действием тающих высокогорных снегов и ледников и выпадающих дождей. В реках Дальнего Востока летние паводки вызываются дождями муссонного характера. Характерные гидрографы также представлены в работе Д.Л. Соколовского [92]. Из рек, относящихся к третьему типу, следует выделить водотоки Черноморского побережья Кавказа с паводками в течение всего года. Типовой гидрограф представлен в работе Д.Л. Соколовского [92].
По данным работы А.Б. Авакяна [2] на реках перечисленных районов случаются частые наводнения, наносящие существенный ущерб. Соответственно, водохранилища этих районов требуют устройства значительной противопаводковой емкости и иных противопаводковых мероприятий.
Задача противопаводкового регулирования усложняется, когда период интенсивной водоотдачи во многом совпадает с паводковым периодом, что особенно характерно для искусственных водоемов ирригационно- противопаводкового назначения вышеперечисленных регионов. В таких случаях, для целей надежного водопользования водохранилище должно находиться в наполненном состоянии, но, с другой стороны, для задержания возможных больших паводковых объемов оно должно быть в достаточной мере опорожненным. Именно в таких условиях работает Краснодарское водохранилище, расположенное в низовьях реки Кубань.
Внутригодовое распределение стока Кубани, как и у большинства рек с многопиковыми гидрографами, отличается большой изменчивостью однофазных величин. Период максимального стока обычно начинается в мае и проходит в течение всего летнего сезона, вследствие наложения паводков ледникового и дождевого происхождения.
Результаты анализа гидрографов притока воды в водохранилище представлены в разделе 2.4 и показывают, что практически невозможно достоверно построить одно типовое внутригодовое распределение стока реки Кубань у города Краснодара. В тоже время, для выявления большинства вероятностных характеристик Краснодарского гидроузла необходимо учитывать внутригодовую неравномерность приточности. В связи с большой изменчивостью однофазных величин притока к водохранилищу возможны альтернативные ситуации: в, годы с маловодным весенне-летним паводком — большая вероятность появления глубоких дефицитов воды, а в годы с большими и частыми паводками велика вероятность превышения допустимого сбросного расхода в нижний бьеф.
Из всего вышеперечисленного следует, что Краснодарское водохранилище можно считать типичным искусственным водоемом на реках с длительным паводковым периодом.
Результаты исследований на имитационной модели работы Краснодарского гидроузла, могут служить для разработки типовой методики регулирования максимального стока водохранилищем комплексного назначения, работающим в условиях длительного паводкового периода с многопиковым гидрографом.
Краснодарское водохранилище на реке Кубань было построено в период с 1968-1975 гг. и принято в постоянную эксплуатацию Государственной комиссией актом от 22 ноября 1975 г. Общая продолжительность строительства водохранилища, включая период подготовительных работ, составила 98 месяцев. Генеральный проектировщик водохранилища - Краснодарский институт "Кубаньгипросельхозстрой" Минмелиоводхоза СССР (позднее институт "Кубаньгипроводхоз", а ныне ОАО "Институт Кубаньводпроект"). В проектировании участвовали 14 субподрядных проектных организаций различных министерств и ведомств. Стоимость строительства всего комплекса сооружений гидроузла в ценах 1969 г. составила 255,56 млн. руб.
С пуском водохранилища было затоплено 25 тыс. га пахотных земель и более 20 населенных пунктов, аулов и хуторов, население которых было переселено во вновь построенный город Теучежск (сейчас Адыгейск) и поселок городского типа Тлюстенхабль. В настоящее время Краснодарское водохранилище контролирует 96% годового стока реки Кубань и является самым крупным водохранилищем Краснодарского края.
Условия формирования стока рек, питающих Краснодарское водохранилище
Основным источником питания Краснодарского водохранилища является р. Кубань. Менее значительными донорами являются реки Белая, Лаба, Пшиш, Псекупс и др. административному признаку бассейн Кубани находится в пределах республик Карачаево-Черкессия и Адыгея, Ставропольского и Краснодарского краев. Водохозяйственное влияние реки Кубани значительно шире ее гидрографического бассейна и распространяется более чем на 80 тыс. км2., в том числе на граничащие безводные степные районы Предкавказья (включая Ростовскую область и Калмыкию). В высотном отношении в бассейне реки Кубань выделяют 4 зоны: 1) равнинная до-200 м. над уровнем моря — 39,2% всей площади; 2) предгорная от 200 м. до 500 м. над уровнем моря - 17,7%; 3) горная от 500 м. до 1000 м. над уровнем моря - 20,4%; 4) высокогорная выше 1000 м. над уровнем моря - 22,7%.
Особенностью строения гидрографической сети бассейна является резкая асимметричность. Все основные притоки в реку Кубань впадают слева. После поворота на запад, протекая в непосредственной близости от водораздела, река не принимает ни одного притока с правого берега. Л Средняя густота речной сети бассейна около 0,5 км/км , наибольшая — в верховьях Белой, Большой и Малой Лабы достигает 1,5-1,9 км/км2. В междуречье же Урупа и Большого Зеленчука коэффициент густоты речной о сети снижается до 0,2-0,3 км/км . В треугольнике ограниченном линией
Армавир - Тбилисская — излучина р. Кубань, на площади около 800 км2, нет ни одного постоянно действующего водотока. В месте слияния рек Учкулан и Уллу-Кам река имеет довольно широкую (0,5-1 км) троговую долину. Такую форму и ширину долина сохраняет почти на протяжении 10 км, после чего река входит в ущелье, ограниченное крутыми склонами гор, покрытыми лесом. Далее ущелья чередуются с местными уширениями (урочищами). После слияния с р. Тебердой долина реки постепенно расширяется, причем русло ее после впадения р. Мара ограничено обрывистыми берегами, образующими местами подобие каньона глубиной 10-15 м. От станицы им. Коста Хетагурова долина имеет уже ширину 1-2 км, а после впадения р. Джегонас — сразу расширяется и у г. Черкесска достигает ширины 6 км. От аула Каменномостского склоны долины большей частью безлесны. Ниже г. Невинномысска долина продолжает оставаться широкой, русло переходит от одного склона к другому и только после г. Армавира окончательно придерживается правого склона. С этого места начинается левобережная пойма, которая наибольшее развитие получает с впадением р. Лабы. Здесь ширина поймы изменяется от 4 км у г. Усть-Лабинска до 10-12 км у г. Краснодара. Ширина долины увеличивается до 12-20 км.
Ниже станицы Елизаветинской склоны долины слабо выражены и постепенно сливаются с прилегающей местностью. Ширина русла в высокогорной зоне не превышает в межень, как правило, 15-20 м, местами суживаясь до 3-5 м. У станицы им. Коста Хетагурова ширина реки уже 45-50 мух. Дегтяревского - 80-100 м, у станицы Ладожской - 150-170 м. Средняя глубина меженного русла изменяется от 0,3-0,5 м в горной зоне и до 3 м — у г. Краснодара. Средняя скорость течения в паводок может достигать 3-3,5 м/с в верхнем течении, у г. Краснодара — 1,5 м/с. В межень на всем протяжении реки средняя скорость течения не превышает 1,0-0,5 м/с. В верховьях русло сложено крупной галькой и валунами. Отдельные -у валуны в объеме достигают 1 м и более. У хутора Дегтяревского преобладает галька и гравий. От г. Кропоткина русло становится песчаным и илисто-песчаным. Ha 111 км от устья р. Кубань раздваивается: один рукав направляется к г. Темркжу и продолжает именоваться р. Кубань, а другой, правый, под названием рук. Протока, — поворачивает на север к станице Гривенской, после чего меняет направление на западное и впадает в Азовское море у пгт. Ачуево. 8 Псекупс 1430 1 Река Лаба является самым крупным притоком р. Кубань. Началом ее считается место слияния рек Большой и Малой Лабы. Длина реки 214 км, протяженность вместе с р. Большая Лаба, составляет 341 км; общая площадь водосборного бассейна 12500 км . Истоки р. Большая Лаба - ледники вершины горы Абыцха. Малая Лаба зарождается у снежных вершин Аишхо и ледника Псеашхо. Общая площадь "У ледников, питающих эти реки, около 15 км . Всего р. Лаба принимает в себя 4776 больших и малых притоков, суммарной длиной 10,5 тыс. км. Наиболее крупными левыми притоками р. Лаба являются, считая сверху вниз по течению: Ходзь, Чехрак, Фарс, Гиага; самый крупный правобережный приток — р. Чамлык. Водный режим р. Лабы своеобразен, ее водность значительно колеблется в течение года. Сильные разливы и наводнения возможны практически во все сезоны, кроме зимы. Причины паводков — весеннее снеготаяние, летнее таяние ледников и осенние ливни. При этом наиболее высокие уровни и расходы воды бывают преимущественно в весенне-летний период, а наиболее низкие - осенью и зимой. В питании Лабы значительную роль играют и подземные воды; местами в долине реки выклиниваются мощные источники.
Средний многолетний годовой расход воды р. Лаба в низовьях, у -3 х. Догужиев, составляет 94 м/с; при этом наибольшие расходы могут достигать 685 м/с, а наименьшие — 6 м/с, что в 114 раз меньше максимального стока. Лаба выносит в р. Кубань за год свыше 3 млрд. м3 воды, а с ними около 1,3 млн. т твердых наносов. Река Белая— второй по длине и самый мощный по водоносности левобережный приток р. Кубань. Она зарождается на склонах горного массива Фишт-Оштен и, пройдя 265 км, впадает в Краснодарское водохранилище. Общее падение реки (разность абсолютных высот истока и
О — устья) составляет 2283 м; площадь водосборного бассейна — 5990 км . В общей сложности в р. Белая впадают 3459 больших и малых притоков, из которых наиболее крупными являются реки Пшеха, Курджипс, Киша и Дах. Питание р. Белая происходит за счет атмосферных осадков в виде дождя и снега, подземных вод, а также таяния высокогорных снегов и ледников. В бассейне реки насчитывается 29 ледников, общей площадью 7,6 км2. Половодье на р. Белая обычно происходит в весенне- летний период, но часто разливается в любое время года, за исключением зимы. Р. Белая многоводна: среднегодовой расход воды ее в нижнем течении о у х. Северного 108 м /с, что составляет 1/4 часть водности р. Кубань. Максимальные расходы воды р. Белая достигают 1030 м /с, а минимальные — 9 м3/с, т.е. наибольший сток более чем в 100 раз превышает наименьший. Л Белая выносит в Кубань в среднем за год 3,4 млрд. м воды, а вместе с ней около 2 млн. т наносов. Р. Пшеха — самый крупный левобережный приток р. Белая. Истоки ее зарождаются на склонах гор Фишт и Оштен; впадает в р. Белая ниже г. Белореченск. Длина ее 139 км; площадь водосборного бассейна 2090 км2. В верхнем и среднем течении это типичная горная река с быстрым течением, характеризующаяся прохождением кратковременных, но сильных дождевых паводков. Минерализация речных вод — от малой до средней. Р. Курджипс— левый приток р. Белая, второй по величине после р. Пшеха. Начинается он на Лагонакском нагорье, с восточного склона горы Абадзеш (2376 м над уровнем моря) и впадает в р. Белая юго-западнее г. » г\ Майкоп. Длина реки 108 км; площадь водосборного бассейна 780 км . Имеет 84 притока, из которых наиболее значительные: Мезмайка, Морозка, Хакодзь, Прицуха, Лучка, Сухая Балка и др. Курджипс - типично горная река, с быстрым течением; уровни и расходы воды значительно колеблются в течение года. В верхнем течении имеются живописные водопады.
Стохастическая модель притока речного стока в водохранилище комплексного использования
Одним из наиболее удобных и корректных методов моделирования процессов стока для проведения водохозяйственных расчетов, в том числе и для расчетов трансформации максимального стока водохранилищем является метод фрагментов Сванидзе Г.Г. [86] . Возможность его использования при определении противопаводковой емкости показана в работах [89,107 и др.]. Суть метода — в двойном моделировании: искусственного гидрологического ряда из среднегодовых расходов воды, а затем модели внутригодового распределения стока, так называемого фрагмента. Искусственный гидрологический ряд среднегодовых расходов можно получить без существенных ошибок любым из способов моделирования- годового стока, изложенных в работах Г.Г. Сванидзе [86, 89], А.Ш. Резниковского [21], Д.Я. Ратковича [71] и др. В данной работе годовые расходы моделировались методом статистических испытаний, а затем методом фрагментов моделировались значения стока внутри года. Исходными параметрами для моделируемого ряда послужили следующие статистические характеристики, определенные по имеющимся рядам водохозяйственных лет (начало года - 1 апреля): норма ф стока 397 мЗ/с, коэффициент вариации Cv=0,24 и коэффициент ассиметрии Cs=2Cv, полученные традиционными способами. Процесс моделирования проводился при помощи специальной программы на базе макросов VISUAL BASIC, запускаемой из MS EXCEL. При заданных параметрах Qcp, Cv и Cs схема моделирования довольно проста.
Сначала случайным образом моделировались годовые значения обеспеченности Pki притока к водохранилищу. Далее по кривой обеспеченности с параметрами (Qcp; Cvk, Cs=2Cv) по смоделированной величине Рк; были получены значения годовых расходов Qki за 10,000 лет. Следует заметить, что в случае необходимости учета коэффициента автокорреляции, схема моделирования незначительно усложняется, но при этом в память ПК приходиться вводить массив чисел, соответствующий; например, таблице нормированных отклонений ординат кривых обеспеченности от среднего значения (таблица Фостера-Рыбкина) [95]. Вопрос о моделировании фрагментов необходимо рассмотреть несколько.подробнее. Метод фрагментов достаточно прост и не требует каких-либо допущений или гипотез относительно функций распределения вероятностей внутригодовых стоковых значений и схем математического описания. В связи с основной целью работы — разработать методику регулирования паводкового стока, а также в связи с тем, что паводки на р. Кубань могут иметь место практически в любой период года, моделировались пятисуточные объемы, притока к водохранилищу. В качестве фрагментов принимались гидрографы из 72 значений 0=1-72). Всего 32 фрагмента, поскольку имелись данные.по среднесуточным расходам за 32 года наблюдений (т=1-32). Фпу- - фрагмент в ш году ]-ой пентады; , С пу - значение расхода притока к водохранилищу в ш-м году ой пентады; С т - значение годового расхода притока к водохранилищу в ш-м году.
Таким образом, было получено 32 фрагмента. Каждый фрагмент содержит 72 элемента. Далее рассматривалось моделирование с учетом водности года. При учете водности года - исходный 32-летний наблюденный годовой расход разбивался на три градаций по степени водности - на многоводный, маловодный и средний по водности год. В зависимости от смоделированной годовой обеспеченности (Р) выбиралась нужная градация, и уже из градации случайным образом выбирались фрагменты Ф . Затем каждый фрагмент Фтз умножался на смоделированный годовой расход тем самым определялись пятидневные расходы воды. Фпу - фрагмент в ш году ой пентады; 01 — значение смоделированного годового расхода; 0ц - значение пятидневного расхода притока к водохранилищу в ьм году 3-ой пентады; В результате был получен длительный десятитысячелетний график колебаний суточных расходов воды. Для проведения дальнейших исследований необходимо выяснить принадлежат ли исходный и смоделированный гидрологические ряды к одной генеральной выборке. Этот вопрос обуславливает проведение анализа степени совпадения выборочных режимных статистических характеристик исходного и смоделированного гидрологических рядов. Предварительно надо решить вопрос о необходимой длительности искусственного ряда. Решение этого вопроса относительно вероятностных критериев определяемых водохозяйственных характеристик будет рассмотрен несколько позже в разделе 3.5. А на данном этапе, эта задача рассматривается с точки зрения стабилизации статистических параметров искусственного гидрологического ряда при различной его длительности. Такой подход к определению необходимого количества лет согласуется с работой [110], где указывается, что влияние увеличения количества информации на повышение точности носит затухающий характер. Поэтому за оптимальный может быть принят такой объем информации, при котором точность достигает насыщающего значения. Иначе говоря, при дальнейшем увеличении информации уже нельзя добиться заметного повышения точности.
Аналогичный подход для определения количества испытаний использован в работе А.Л. Великанова и В.И. Пойзнера [19], основанной на стохастической сходимости распределения вероятностей к стационару, и опирающейся на применение метода, предложенного H.H. Бек и Д.И. Голенко [12] для водохозяйственных приложений, где сформулированная задача сводится к определению числа испытаний N для получения функции качества Ф(х) с заданной надежностью. Этот прием основывается на теореме Д.И. Голенко, согласно которой, при числе испытаний N, стремящемуся к бесконечности, эмпирическая функция распределения Fni(x) полностью сходится по вероятности к теоретической. Поэтому, если эмпирическая функция распределения Fni(x), построенная после некоторого достаточно большого количества испытаний N1, будет мало отличаться от эмпирической функции распределения FNi+n2(x), построенной после числа испытаний N1+N2 (N2 N1), то можно считать, что проведенное число испытаний достаточно для изучения характеристик функции качества. Количество испытаний N2 может быть принято пределах 10-20% от N1.
Методика оперативного противопаводкового управления водохранилищем комплексного использования
Все модели регулирования максимального паводкового стока, изложенные в разделе 1,1, не используют в полной мере возможности оперативного управления режимом работы водохранилища. В частности, не используются вполне хорошо оправдывающиеся краткосрочные прогнозы стока, практически не используются также и условные стохастические зависимости распределения вероятностей величин стока в будущем временном интервале от конкретных величин стока в текущем интервале.
Недостаточно учитываются также различие водности различных временных интервалов и, соответственно, фактического различия вероятностей появления аварийной ситуации в разные фазы года.
В результате, возможны варианты, когда во время прохождения небольших паводков и соответственно небольшой требуемой противопаводковой емкости, в нижний бьеф производятся сбросы воды, которой не хватает для плановой водоотдачи водопотребителям в последующие внутригодовые интервалы. Или же наоборот, водохранилище не оказывается полностью готовым принять катастрофический паводок из-за отсутствия резервной свободной части полезной емкости, которую заранее можно освободить посредством сбросов воды в нижний бьеф при учете прогноза стока. Именно такая ситуация сложилась в июне-июле 2002 года при прохождении паводка, не имеющего аналога за период наблюдений, как по величине максимальных расходов, подъему уровней, так и по нанесенному ущербу. Тогда Краснодарское водохранилище сыграло особую
роль и предотвратило затопление 600 тыс. га земель с проживающим на них населением численностью 350 тыс. чел. Однако при этом были использованы далеко не все возможности регулирования стока для срезки пика паводка. Гидроузел работал в экстренном режиме. Более 50 % противопаводковой емкости водохранилища было заполнено. Подробное описание этого катастрофического паводка и регулирование его Краснодарским водохранилищем представлено в разделе 2.4. В таких случаях целесообразно заблаговременно, исходя из оперативного гидрологического прогноза притока, опорожнить часть полезной емкости водохранилища для принятия, основной волны паводка.
Все это создает предпосылку к проверке основной научной гипотезы настоящей работы, заключающейся в следующем.
Возможны такие правила регулирования максимального паводкового стока, отличные от традиционных и ранее применявшихся, при которых вероятность аварийного сброса в нижний бьеф будет уменьшена, а фактическая водоотдача и обеспеченность ее плановой величины будут стабильны при неизменных параметрах водохранилища. Такой подход возможен при учете однозначного прогноза стока на пентаду, выработанного-на основе генетического анализа выпадения осадков и процесса стока, а также при учете стохастического прогноза на последующую пентаду, выработанного на основе предложенной вспомогательной стохастической модели.
Проверка этой гипотезы производилась на стохастической модели работы водохранилища. Модель функционирования водохранилища комплексного назначения, описанная в разделе 3.4 является имитационной в том смысле, что она предназначена для анализа долговременного функционирования водохранилища комплексного назначения. Внутри же каждого расчетного периода решается задача оптимизации, которая является вспомогательной для выбора наилучшего решения.
Специфика некоторых водохозяйственных задач требует применения упрощенных методов решения, приспособленных для практического применения J11 IP, работающих с ограниченным программным обеспечением. В связи с этим, в данной работе предпринята попытка решить поставленные задачи наиболее простым инструментарием. Для решения задач линейного программирования часто используются электронные таблицы. В большинство таких таблиц встроены понятные и простые в применении стандартные оптимизационные подпрограммы. Задача линейного программирования решалась через оптимизационный инструмент программы MS Excel «Solved» (Поиск Решения). Программа MS EXCEL имеется практически на каждом ПК, что обеспечивает универсальность и доступность реализации этого метода оптимизации. «Поиск решения» является частью блока задач, который иногда называют анализ "что-если". Процедура «поиска решения» позволяет найти оптимальное значение формулы содержащейся в ячейке, которая- называется целевой. Эта процедура работает с группой ячеек, прямо или косвенно связанных с формулой в целевой ячейке. Чтобы получить заданный результат по формуле, содержащейся в целевой ячейке, процедура» изменяет значения во влияющих ячейках. Чтобы сузить множество значений, используемых в модели, применяются ограничения. Эти ограничения могут ссылаться на другие влияющие ячейки.
Методика оперативного противопаводкового управления водохранилищем комплексного назначения представляет собой оптимизацию сбросов в нижний бьеф водохранилища путем решение задачи линейного программирования в пределах заданного временного интервала (10 суток).
Выбор такого временного интервала обосновывается тем фактом, что гидрологический прогноз по притоку речных вод к Краснодарскому водохранилищу можно считать достоверным только в пределах пяти дней, далее вероятность свершения такого прогноза резко падает. В качестве расчетного значения притока за последующую пентаду принимается стохастическое значение, определенное при помощи вспомогательной стохастической модели стока..
В соответствии с поставленными в разделе 1.2 задачами, разработанная- методика позволяет сократить вероятность затопления территорий верхнего бьефа водохранилища и, следовательно, уменьшить вероятность аварийной ситуации на гидроузле.
Максимальный разрешенный сброс из Краснодарского водохранилища за 10 суток составляет 1382 млн. м3 при величине полезного объема равной 1579 млн.м3. Таким образом, принимая уровень наполнения водохранилища на отметке НИУ на начало расчета, мы можем опорожнить его практически на 70% за 2 пентады. Учитывая тот факт, что максимальный, приток воды к водохранилищу, рассчитанный на обеспеченность равную 0,1%, составлял 2500-м3/с, т.е. 215 млн. м3/сут или 2150 млн. м3/декада, можно с достаточной долей вероятности говорить о возможности достаточно надежной защиты водохранилища от переполнения за счет заблаговременного (исходе из прогноза) опорожнения водохранилища.
