Введение к работе
Актуальность темы
Природная среда влияет на функционирование энергетических систем. Их нормальная работа нарушается под воздействием экстремальных явлений. Последние характеризуются количественными показателями, периодически изменяющимися от наименьших до наибольших значений, названными экстремальными характеристиками.
Восстановление и систематизация информации об экстремальных климатических величинах исторического прошлого, знание закономерностей их появления имеет большое теоретическое и практическое значение, поскольку именно на них ориентировано планирование хозяйственной деятельности и прогнозирование природных явлений. Оценки границ колебаний экстремальных климатических характеристик, их расчетные значения и повторяемости позволяют предупреждать дестабилизирующие ситуации и увеличивать надежность работы ТЭС, ГЭС, электрических и тепловых сетей.
Экстремальные многолетние характеристики тепла и влаги связаны с решением различных задач: оптимальным выбором стратегий использования топливных ресурсов, расчетом теплопотерь при передаче тепла через наружные ограждения, управлением речным стоком в многоводные и маловодные периоды, определением параметров водохозяйственных сооружений, установлением зон риска при освоении новых прибрежных территорий.
Энергетические объекты как сложные производственные системы описываются с помощью оптимизационных моделей, расчетные результаты которых зависимы от обеспечения информацией о климатических характеристиках в виде систематизированных, расчетных или прогнозируемых данных. Использование историко-архивных материалов увеличивает информацию систематизированных сведений, дополняя числовые значения регулярных наблюдений. Для получения методик расчета или прогноза экстремальных климатических характеристик необходимо определение закономерностей их изменчивости.
Цель и задачи работы
Цель работы состоит в разработке методологии выделения и комплексного исследования экстремальных природных характеристик для получения данных, расчетных и прогностических методик по обеспечению энергетических задач информацией.
Для ее достижения решались следующие задачи.
1. Систематизация принципов, методов и подходов для анализа экстре-
мальных климатических характеристик и выявления закономерностей их изменчивости.
-
Создание методики комплексной обработки.информации, включая реконструкцию данных по историко-архцвным материалам, для решения энергетических задач.
-
Разработка подходов и методов выявления и анализа временных и пространственных закономерностей изменений индивидуальных и групповых экстремальных характеристик тепла и увлажнения.
-
Определение методов нахождения связей и исследование их изменений для различных экстремальных характеристик между собой и с внешними факторами.
-
Разработка методов прогноза и анализ закономерностей чередований экстремальных характеристик различной природы.
-
Определение направлений информационного обеспечения энергетических задач экстремальными природными характеристиками.
-
Построение региональной модели комплексного управления речным стоком каскадом водохранилищ в многоводные периоды.
8. Расчет характеристик выдающихся паводков рек региона и мо
делирование притоков воды редкой повторяемости для уточнения про
ектных параметров водохозяйственных сооружений и оценки эколого-
экономических последствий. . .
9. Разработка методики расчета минимальных температур примени
тельно к задаче тепловых потерь теплопередачей через наружные, огра
ждения.
10. Прогнозирование тенденций появления экстремальных характери
стик на многолетнюю перспективу применительно к задачам, связанным
с оптимальным управлением функционирования и развития электроэнер
гетических систем. . ,.-:
Методика исследований ... ,. :<
Работа основана на следующих предложенных; методологических принципах относительно исследуемых процессов: 1).развитие природных явлений - это непрерывная смена импульсных формирований или возмущений; 2) выделение экстремальных природных характеристик из множества, отображающего состояния природной среды, обусловлено их информационными особенностями; 3) исследование экстремальных характеристик почвы, воды, воздуха, подверженных влиянию Солнца, требует комплексного анализа их значений, амплитуд колебаний, событий и переходов; 4) обеспечение информацией об экстремальных характеристиках особо эффективно для энергетических задач с малыми интервалами осреднения природных составляющих.
Согласно этим методологическим принципам определена система основных подходов к исследованию экстремальных характеристик: 1) предложена модель формирования временных рядов климатических показателей в виде многолетней непрерывной цепи годовых циклов, соединяющих последовательности минимальных и максимальных значений характеристик тепла и увлажнения; 2) хронологические последовательности рассмотрены в виде иерархических структур, полученных путем проведения огибающих и согласно критериям аномальности; 3) осуществлена систематизация и восстановление экстремальных климатических характеристик региона за историческое прошлое; 4) проанализирована возможность диахронной упорядоченности экстремальных характеристик тепла и влаги.
Для реализации методов и подходов применены следующие математические методы: 1) вероятностный анализ экстремальных событий и значений редкой повторяемости; 2) статистическая обработка временных рядов экстремальных климатических характеристик методами корреляционного, автокорреляционного, регрессионного, дисперсионного, спектрального анализов и теории информации; 3) моделирование процессов в задаче оптимизации управления водными ресурсами в периоды высокого стока; 4) эколого-экономическое моделирование развития региона при регулировании водных ресурсов каскадом водохранилищ.
Научная новизна
Работа представляет собой основу научного направления в области методологии изучения экстремальных природных характеристик как взаимосвязанных земных климатических и внешних (солнечных) величин и методики их практического применения в задачах управления энергетическими системами и объектами. Впервые поставлена проблема комплексного исследования экстремальных природных характеристик.
На основании систематизации регулярных и реконструированных данных впервые разработан метод получения комплексной исходной информации об экстремальных природных характеристиках для решения энергетических задач.
Впервые определен комплекс принципов, методов и подходов, связанный с моделированием управления электроэнергетическими системами и объектами, для выявления закономерностей изменчивости экстремальных природных характеристик как основ методик расчета и прогнозирования информации.
Согласно разработанной методологии исследования получены методики информационного обеспечения региональных энергетических задач, позволяющие прогнозировать экстремальные климатические характери-
.:>
(і
стики на многолетнюю перспективу, оценивать природные параметры и их аномалии в задаче определения тепловых потерь при передаче тепла через наружные ограждения, уточнять проектные отметки водохозяйственных объектов.
С учетом особенностей информации об экстремальных климатических характеристиках построена региональная модель комплексного управления речным стоком в многоводный период применительно к водохранилищам Ангарского каскада.
Практическое значение
-
Выявленные закономерности чередования экстремальных характеристик и их прогнозирование рекомендуется использовать для планирования топливных и водных ресурсов на многолетний период.
-
Модель управления водными ресурсами в многоводный период применима для оптимизации распределения речного стока между крупными потребителями и пользователями воды с оценкой экологических потерь.
-
По расчетным характеристикам максимального стока с учетом выдающихся наводнений за исторический период выделяются зоны риска и уточняются проектные отметки водохозяйственных объектов.
-
Методика прогнозирования пятидневных наименьших зимних температур и оценка продолжительности редких показаний термометра способствуют уточнению расчетных теплопотерь при передаче тепла через наружные ограждения.
-
Систематизированные сведения о необычных природных явлениях, как неотъемлемой части истории края, имеют практическое и познавательное значение.
-
Полученные результаты применяются в учебных курсах по энергетике, охране природы, безопасности жизнедеятельности в экстремальных ситуациях, экологии, климатологии, и др. ,,-
Личный вклад автора . , .
Решения энергетических задач зависят от их обеспечения информацией о многолетней изменчивости климатических характеристик.'
Методологические направления исследований параметров тепла' и влаги определены во многих работах. В трудах М.А.Боголепова природные процессы рассматриваются в виде волн с развитием от низших до высших состояний. В качестве переходных эпох В.Б.Шостакович использовал группировки характеристик со значительными отклонениями от средних многолетних величин. Экстремальные события исследованы в работах Ю.А.Раунера, А.Н.Кренке и др. авторов.
Влияние внешних факторов в виде пятнообразовательной деятельности Солнца на земные процессы проанализировано А.Л.Чижевским. В
развитие этих идей В.Б.Шостаковичем, А.Н.Афанасьевым и др. исследователями описаны связи индексов солнечной активности и региональных характеристик тепла и влаги. В работах И.П.Дружинина и Н.В.Хамьяновой обращено внимание на влияние резких изменений солнечной активности на перестройку режима атмосферы и гидросферы. Таким образом, многолетний ход климатических характеристик сочетает в себе влияния внешних воздействий и внутренних изменений.
В работах Л.С.Хрилева, Ю.Я.Мазур, А.С.Некрасова, В.И.Зоркаль-цева, А.П.Резникова и др. рассмотрено влияние климатических факторов на многолетнее регулирование расходов топлива на отопление. В нормативный документ входят расчетные температуры наиболее холодных пятидневок, влияющие на значения теплопотерь.
Расчетная методика по определению выдающихся гидрологических характеристик для проектирования гидротехнических сооружений разработана С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем. В работах И.П.Дружинина, А.Н.Шевнина, В.Р.Смаги и др. предложены подходы к многолетнему прогнозированию годовых притоков воды в водохранилища.
Энергетические объекты как сложные системы описываются с помощью оптимизационных моделей. В нашей стране и за рубежом в работах Д.П.Картвелишвили, В.Г.Пряжинской, Д.П.Лаукса и др. нашли распространение задачи управления водными ресурсами с учетом стохастической природы характеристик речного стока.
Применив методологические принципы к экстремальным климатическим характеристикам, построенным в виде непрерывной цепи годовых циклов, и расширив информацию о них путем изучения историко-архивных материалов, автором выявлен ряд закономерностей, используемых в энергетических задачах с природными параметрами малых предо лжительностей осреднения.
Защищаемые результаты работы получены автором лично. Некоторые идеи, касающиеся преимущественно первичной обработки многолетних гидрологических рядов, реализованы и опубликованы совместно с А.В.Ботороевым, Т.Д.Кривобок, М.Г.Людвиг, В.С.Тен, А.И.Шмаковым и А.А.Якимовым. Изданы работы в соавторстве с к.э.н.Т.Т.Орловой по проблеме водного страхования региона, а с д.т.н. М.В.Болговым опубликована статья, посвященная применению совместного анализа к задаче районирования параметров максимального стока.
Толчком к исследованиям связей экстремальных характеристик и индексов солнечной активности послужили обсуждения проблем солнечно-земных связей с д.ф.-м.н. Г.В.Куклиным. Большую помощь автору оказали семинары по математическому моделированию природных и антро-
погенных процессов, проводимые д.ф.-м.н. В.П.Булатовым.
Рекомендации д.т.н. Л.С.Беляева, д.т.н. Н.И.Воропая, д.т.н. Б.Г.Са-неева, д.т.н. Е.В.Сенновой, и др. сотрудников СЭИ, способствовали расширению представлений автора о применимости информации об экстремальных характеристиках в энергетических задачах.
Апробация
Основные положения работы обсуждались на научных семинарах и конференциях Иркутской ГСХА (1983-19Э9гг.), ИГ СО АН РФ (1984, 1992,1996,1998 гг.), Комиссии по долгосрочным прогнозам ИНЦ СО РФ (1991 г.), ДВРНИГМИ (1988 г.), Иркутского ТУГКС (1986 г.), Новочеркасского инженерно-мелиоративного (1989г.), Приморского (1989-г.) и Омского (1987-1988 гг.) сельскохозяйственных институтах. Автор активно участвовал в международных конференциях "Циклические процессы в природе и обществе", проведенных Ставропольским университетом в 1993-1999 гг., Международной Байкальской школе-семинаре "Методы оптимизации и их приложения", организованной академическими и учебными заведениями Иркутска (1995, 1998гг.). конференции по современным проблемам экологии, природопользования и ресурсосбережения Прибайкалья (Иркутск, 1998) и Международной конференции по стохастическим моделям гидрологических процессов и их применению к проблемам охраны окружающей среды (Москва, 1998г.). По историческим аспектам систематизации климатической информации сделан доклад на научной конференции "Романовские чтения" (Иркутск,1998). На протяжении многих лет поддерживались связи по обмену разработками и информацией с отделом регулирования стока ИВП АН РФ. Часть результатов вошла в работу "Эколого-экономическая модель производства сельскохозяйственной и промышленной продукции и режима работы водного бассейна региона", утвержденную и финансируемую РФФИ (1997-1998гг.). Многолетние исследования обсуждались на совместном заседании секций "Межотраслевые, региональные и экологические проблемы ТЭК" и "Прикладная математика и информатика" института систем энергетики им. Л.А.Мелентьева СО РАН (1999).
Основные защищаемые положения
1. Методология определения экстремальных характеристик как ин
формационно самостоятельных, обеспечивающих данными энергетиче
ские задачи с параметрами малых интервалов усреднения.
2. Разработанный автором метод создания базы исходных природных
экстремальных характеристик, основанный на систематизации регуляр
ных и реконструированных данных воздушной, водной и почвенной сред,
подверженных внешнему воздействию.
-
Предложенный комплекс принципов, методов и подходов к изучению природных экстремальных характеристик, позволяющий выявлять закономерности их изменчивости для построения моделей, разработок методик расчета и прогнозирования и восстановления информации в задачах управления электроэнергетическими системами и объектами.
-
Методология информационного обеспечения экстремальными природными характеристиками, реализованная в разработках, способствующих повышению эффективности проектирования и эксплуатации региональных энергетических систем и объектов.
Объект исследования
Методология комплексного описания экстремальных характеристик воздушной, почвенной и водной сред позволяет обеспечить системной информацией энергетические задачи. Предложенный комплекс подходов и методов применен к зоне с координатами 98-114 в.д. и 52-60 с.ш., составляющей немногим более 1.3 млн.кв.км (Иркутская область и сопредельные территории Красноярского края, Читинской области и Республики Бурятия). Исследования основаны на материалах гидрометеорологических пунктов с наиболее длительными рядами наблюдений, дополненных историко-архивной информацией. Основное внимание уделено анализу многолетних выборок экстремальных температур воздуха и почвы, минимальных и максимальных показателей стока рек, наибольших суточных осадков, параметров ледообразовании и др. для выявления закономерностей их изменчивости применительно к модели управления водными ресурсами Ангарского каскада, задаче расчета тепловых потерь теплопередачей, определению выдающихся притоков воды в водохранилища и расчету параметров водохозяйственных сооружений.
Структура работы
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий объем 308 с, 34 рисунка, 63 таблицы. Список литературы состоит из 292 наименований.
