Введение к работе
Актуальность. Проблема управления водными ресурсами является исключительно важной для человеческого общества, ибо использование воды пронизывает все его сферы. И в то же время – чрезвычайно сложной, поскольку ее решение зависит от большого количества факторов. В наиболее общей постановке она относится к классу иерархических, многоуровневых, оптимизационных задач, где используются эколого-экономические критерии (В.И. Данилов-Данильян, В.Г. Пряжинская, И.Л. Хранович, А.М. Черняев, Н.Б. Прохорова и другие авторы).
Задачи подобного рода базируются на информации о закономерностях пространственно – временных колебаний стока рек и формах его использования, являющейся основой при эколого-экономических оценках. Но во многих случаях – когда в качестве критерия для выбора цели выступает норматив надежности водоснабжения (расчетная обеспеченность) водохозяйственный блок имеет самостоятельное значение. Теория гидрологических расчетов, управления и использования речного стока, благодаря трудам С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля, А.Д. Саваренского, А.Е. Асарина, А.Ю. Александровского, Н.И. Алексеевского, В.Г. Андреянова, В.И. Бабкина, К.Н. Бестужевой, Е.Г. Блохинова, М.В. Болгова, В.С. Вуглинского, Я.Д. Гильденблата, Г.Х. Исмайылова, В.И. Клёпова, Н.А. Картвелишвили, В.А. Киктенко, Д.В. Коренистова, А.Е. Косолапова, Н.И. Коронкевича, Н.Б. Прохоровой, Д.Я. Ратковича, А.Ш. Резниковского, А.В. Рождественского, Г.Г. Сванидзе, Л.Ф. Сотниковой, А.М. Черняева, Ш.Ч. Чокина, И.С. Шахова, И.А. Шикломанова, достигла большого совершенства и развития.
В то же время отдельные теоретические области гидрологии и водного хозяйства остаются недостаточно исследованными. К ним относится и проблема управления поверхностными водными ресурсами, которая приобретает особую сложность в условиях нестационарности стокового процесса, возникающей как в связи с прямым воздействием хозяйственной деятельности на речной сток, так и из-за последствий прогнозируемых многими авторитетными исследователями изменений климата, определяемых антропогенными факторами. Подобная ситуация затрагивает многие теоретические разделы инженерной гидрологии и регулирования стока, что требует новых подходов к решению проблемы управления. Здесь необходимо иметь в виду, что существующие водохранилища функционируют по правилам эксплуатации, разработанным для стационарного режима стока. В связи с этим надо быть готовым к тому, что изменение водности рек вызовет необходимость корректировки правил использования водных ресурсов водохранилищ.
С другой стороны, в рамках проблемы управления находится нестационарность иного рода, вызванная особенностями регулирования стока водохранилищами в период их первоначального наполнения, характеристики которого отображаются распределением вероятностей нестационарного типа. При многолетнем регулировании стока правила регламентации водопотребления необходимо разрабатывать не только для мертвого объема, но и в процессе заполнения полезной емкости.
В сложных водохозяйственных системах нестационарность вызывается целым комплексом факторов, требующих специального исследования.
Цель работы. Целью настоящего исследования является разработка теоретических основ концепции управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности процессов стока и его использования.
Концепция предполагается состоящей из нескольких блоков (рис. 1), имеющих системообразующие функции, т.е. улучшение методологии определения гидролого-водохозяйственных характеристик в каждом блоке приводит к повышению качества конечного решения.
Концепция управления поверхностными водными ресурсами для условий нестационарности
Оценка нестационарности в сложных водохозяйственных системах
Первоначальное наполнение водохранилищ
Выбор
стоковой модели
Сценарии
модификации
Получение характеристик модифицированного стока
Стратегия управления при регулировании речного стока
Анализ исходной информации по стоку рек
Рис. 1. Структура концепции управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности.
Характеристикой блоков определяется структура диссертации и состав задач, необходимых для выполнения поставленной цели:
- усовершенствовать методы оценки исходной гидрологической информации и использовать их для анализа рядов стока рек ЦЧО;
- разработать методологию определения параметров и квантилей стока для условий нестационарности и реализовать её применительно к стоку р. Дон;
- разработать стратегию управления речным стоком при его регулировании водохранилищами по критерию надежности водообепечения в условиях нестационарности и на её основе исследовать динамику параметров регулирования в различных сценариях изменения и использования стока;
- разработать методологию управления режимом водохранилищ многолетнего регулирования стока в период первоначального наполнения, на основе которой исследовать условия перехода водохранилищ многолетнего регулирования на режим нормальной эксплуатации;
- исследовать явления нестационарности в сложных водохозяйственных системах (на примере Или-Балхашской системы и бассейна р.Дон) и разработать адаптивные модели для оценки элементов их режима.
Объектами исследования являются реки, речные водохранилища, в том числе функционирующие в составе сложных водохозяйственных систем.
Предмет исследования: характеристики речного стока, параметры водохранилищ и режим водохозяйственных систем в условиях нестационарности, вызываемой антропогенными факторами.
На защиту выносятся:
- подходы к анализу однородности и репрезентативности исходной информации по стоку рек;
- методология определения параметров речного стока при нарушении стационарности стокового процесса;
- стратегия управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности речного стока при наличии водохранилищ многолетнего регулирования;
- методология управления режимом первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования;
- результаты исследований явлений нестационарности в сложных водохозяйственных системах.
Научная новизна. В диссертации разработана новая концепция управления поверхностными водными ресурсами для условий нестационарности процессов речного стока и его использования. Концепция базируется на применении стоковых последовательностей разного вида, модифицированных по различным сценариям изменения поверхностных водных ресурсов во времени. В качестве критерия оптимальности в стратегии управления используется надежность полезной отдачи водохранилищ (расчетная обеспеченность).
В рамках названной концепции разработаны:
1. Новые подходы к анализу и использованию исходной информации.
2.Новая методология оценки характеристик модифицированного стока.
3.Стратегия управления ресурсами речного стока с наличием водохранилища многолетнего регулирования в условиях нестационарности, применительно к любым сценариям динамики изъятия и видам водопользования (в том числе с учетом экологических требований), с возможностью применения экономических критериев; на базе предложенной стратегии оценено влияние возможных антропогенных изменений стока на параметры регулирования (в том числе Цимлянского водохранилища на р. Дон).
4. Методология построения диспетчерских правил для нестационарного периода первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования, в которой предложен новый параметр регулирования «емкость перехода», представляющий собой степень заполнения полезной емкости, позволяющую перейти на полезную отдачу, соответствующую стационарному режиму регулирования стока, без риска срыва её надёжности в последующий период.
5. Новая модель оценки режима Или-Балхашской водной системы с учетом его нестационарности при различных сценариях хозяйственного использования ресурсов речного стока, на основе которой дана оценка динамики элементов режима системы.
6. Усовершенствованный подход к построению водохозяйственного баланса для сложных систем в условиях нестационарности (на примере бассейна Верхнего Дона), реализованный для различных уровней изъятия стока в хозяйственных целях.
Практическая значимость диссертации состоит в том, что результаты исследования в ней направлены на решение важной народохозяйственной проблемы – повышение качества управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности речного стока и водопотребления. Результаты исследования позволяют получать для лиц и инстанций, принимающих решения, более точную информацию о динамике состояния водохозяйственных систем, испытывающих влияние факторов антропогенного происхождения, что повышает безопасность водопользования. Все подходы, предлагаемые автором, компьютеризованы, что облегчает их практическое внедрение.
Личных вклад автора состоит в формировании цели, задач и научных положений, проведении экспериментальных исследований, обобщению полученных результатов.
Реализация результатов диссертационной работы. Основные положения работы применялись при оценке ожидаемого режима Или-Балхашской водной системы, первоначального наполнения водохранилища Аль-Асад на р. Евфрат, в процессе выполнения темы «Водохозяйственный баланс Верхнего Дона с учетом качества воды» в Воронежском госуниверситете (по договорам с институтом «Гидропроект»), в учебном процессе и тематике научной работы кафедр гидрологии суши и природопользования Воронежского государственного университета, а также кафедры мелиорации, водоснабжения и геодезии Воронежского государственного аграрного университета.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены и обсуждались на следующих научных конференциях, симпозиумах, семинарах:
- Всероссийской научной конференции «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике», Цимлянск, 2012;
- Международной научной конференции «Региональные эффекты глобальных изменений климата», Воронеж, 2012;
- научном семинаре лаборатории моделирования поверхностных вод Института водных проблем РАН, Москва, 2012;
- научном семинаре кафедры гидрологии суши географического факультета МГУ, 2012;
- Всероссийской научной конференции «Устойчивость водных объектов, водосборных и прибрежных территорий; риски их использования», Калининград, 2011;
- Всероссийской научной конференции «Стратегические проблемы водопользования России», Азов, 2008;
- семинаре института водных проблем РАН, Москва, 2008;
- Международной научно-техн. и метод. конференции «Информатика», Воронеж, 2009, 2010, 2011, 2012;
- Международном симпозиуме «ЭВМ ГЭС – 73», Ленинград, 1973;
- научно-техн. конференции НИМИ, Новочеркасск, 1970;
- Республиканском совещании по внедрению выч. техники, Алма-Ата, 1970;
- научно-техн. конференции КазГУ, Алма-Ата, 1970;
- Первой научно-техн. конференции Гидропроекта, Москва, 1969;
- Второй научно-техн. конференции Гидропроекта, Москва, 1972;
- ежегодных научных конференциях Воронежского госуниверситета.
Публикации. Основные результаты, представленные в диссертации, отражены в 41 печатной работе, 17 из которых опубликованы в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация, общим объемом 307 страниц, состоит из введения, шести глав, приложения и заключения, включает 92 таблицы и 61рисунок. Библиографический список насчитывает 250 наименований.
