Введение
Проблемы комплексного водопользования, актуальные уже на протяжении многих десятилетий, сводятся к созданию эффективных локальных или масштабных водохозяйственных систем, гарантирующих водообеспеченность хозяйственных планов и способствующих улучшению экологического состояния водных объектов.
Водная стратегии РФ [6] указывает на максимально возможное сохранение ресурсов речных водосборов наряду с пополнением запасов подземных вод. Значительное удорожание любых материалов и работ по созданию крупных очистных сооружений стимулирует более широкое применение недорогих, но достаточно эффективных методов очищения воды. В связи с этим большее внимание должно быть уделено использованию малых локальных сооружений в сочетании с фитомелиоративными и агротехническими мероприятиями, одновременно выполняющими функцию пополнения подземных водоносных горизонтов благодаря инфильтрации. Строительство прудов, дамб, запруд, копаней, направляющих и фильтрующих валов, биоинженерных сооружений разного типа может стать одним из важных источников водоснабжения в сельских районах, особенно в условиях развития в России мелкоземельных хозяйств.
Кроме общей цели управления водными ресурсами существует множество частных задач в сфере проектирования и эксплуатации водохозяйственных систем. Это бесперебойное водоснабжение населения, выполнение природоохранных функций, гарантированное водообеспечение отраслей экономики, включая тепловую, атомную и гидроэнергетику. Управление водными ресурсами имеет, таким образом, достаточно широкий смысловой диапазон, от регулирования местного стока на водосборе до каскадного регулирования речного стока крупнейших рек страны, Волги, Оби и Иртыша, Ангары и Енисея [3].
Реализация целей традиционно сводится к решению большого числа экологических, инженерно гидрологических и водохозяйственных задач. Актуальность их решения обусловлена массой проблем, сформировавшихся на протяжении последних десятилетий. По материалам РИСИ (Российский институт стратегических исследований) уровень использования ресурсов поверхностных пресных вод во всем мире составляет порядка 50% доступных возобновляемых ресурсов, причем к 2025 году данный показатель может возрасти до 70 %. Дефицит воды в соответствии с международным критерием 1000 м3/год на одного человека, наблюдается в двух десятках стран. Число таких государств к 2025 годам может вырасти до 33. На критически низком уровне водообеспеченности находятся Ближний Восток, Северный Китай, Мексика, страны Северной Африки, Юго-Восточной Азии и ряд постсоветских государств.
Россия располагает уникальными запасами водных ресурсов, неравномерно распределенных по территории и во времени. Кпримеру, Южный и Дальневосточный федеральные округа России, различаются по удельной водообеспеченности примерно в 100 раз.
Материалы и методы исследований
В Федеральной целевой программе РФ [5] сформулированы множественные проблемы Российского водного хозяйства, пути решения которых, непосредственно связаны с методологией управления водными ресурсами. Методические основы расчетного обоснования водохозяйственных систем по управлению водными ресурсами до настоящего времени нельзя считать завершенными, поскольку необходимы дополнительные научные исследования по ряду вопросов, затрагиваемых ниже.
Инженерно-гидрологические и водохозяйственные задачи
Обоснование проектных решений в части параметров и режима работы водохозяйственных систем базируется на определении водохозяйственного эффекта, получаемого от полномасштабной системы или отдельной водохозяйственной установки – гарантированное количество воды и энергии, отдаваемое водопользователям [9]. Здесь можно выделить несколько хозяйственно значимых задач:
- ранжирование и установление набора водохозяйственных и водоохранных мероприятий, направленных на экономию водных ресурсов и регулирование качества воды
- обоснование инженерно-технических мероприятий и параметров гидротехнических сооружений – объемы и характерные отметки водохранилищ гидроузлов (УМО, НПУ, ФПУ), пропускная способность каналов и водоводов, производительность насосных станций, гарантированная и установленная мощность ГЭС, выработка электроэнергии, другие показатели
- обоснование системы мероприятий для защиты от наводнений и других проявлений негативного действия вод, сокращения и предотвращения социально-экологических и экономических ущербов
- обоснование мероприятий по восстановлению водных объектов, находящихся в стадии деградации, либо имеющих устойчивую тенденцию к потере экологического статуса
- разработка имитационных моделей для систем регулирования, территориального перераспределения стока, в том числе каскадов водохранилищ в составе больших водохозяйственных систем
- разработка «Правил использования водных ресурсов водохранилищ», в том числе построение диспетчерских графиков одного или каскада водохранилищ
- Оценка располагаемых водных ресурсов (определение водохозяйственной, в частном случае оросительной способности реки) наряду с учетом совместного использования поверхностных и подземных вод
- водохозяйственные балансы с учетом территориального вододеления и совместного использования водных ресурсов в трансграничных створах
- повышение репрезентативности гидрологической и водохозяйственной информации: а) использование аналогов б) применение стохастических и детерминистических моделей
- определение продолжительности пускового периода водохранилищ гидроузлов
- распределение водных ресурсов между участниками водохозяйственного комплекса
- анализ изменения уровенного режима естественных водоемов
- определение зоны влияния водохранилищ с позиций затопления и подтопления земель
- расчет пропуска максимальных половодий и паводков через гидроузел, определение емкости форсировки, границ затопления и подтопления, высоты и протяженности защитных дамб
Расчетные требования водопользователей формируются в соответствии с набором составляющих расходной части водохозяйственного баланса разного типа и уровня разработки, где функциональную часть требований составляют отраслевые потребители. Значительную долю общего гидрографа водопотребления на крупных и средних водотоках составляют транспортно-энергетические и санитарно-экологические попуски из водохранилищ. Отраслевое водопотребление в значительной степени определяется с учетом действующих удельных норм, особенностей технологических процессов в промышленности и сельском хозяйстве, принятых схем водообеспечения, то попуски всегда вариантны, зависят от водности периода и конкретной гипотезы управления водными ресурсами. Объем и режим целевых попусков зависит от проектных сценариев развития водопотребления и реализации соответствующих водохозяйственных мероприятии в привязке к намечаемым уровням развития экономики.
Статистическое моделирование многолетних гидрологических рядов
Естественная основа планирования – достоверная метеорологическая и гидрологическая информация. По большей части речь идет о речном стоке, формирование которого весьма непростой случайный процесс. В каких случаях следует использовать многолетние гидрологические ряды стока, а когда прибегать к моделированию искусственных рядов, является прерогативой главного инженера проекта. Основной критерий здесь – репрезентативность и однородность материалов наблюдений. Обычно опыта проектировщиков достаточно для принятия решения в условиях стационарного процесса. В случае вероятных изменений гидрологических характеристик под влиянием климатических трендов, проблема усугубляется. Кроме того, водохозяйственные расчеты базируются на естественном режиме стока, которого практически не существует на подавляющем числе водотоков. Следовательно, требуется процедура ретрансформации стока с восстановлением однородности данных, либо использование бытовых расходов, либо моделирование с применением аналогов.
Мотивацией к использованию искусственной исходной информации служит отсутствие продолжительных данных наблюдений, либо невозможность получить объективные результаты водохозяйственных расчетов по короткой выборке. В настоящее время хорошо отработаны методы генерации многолетних последовательностей стока с учетом взаимной и автокорреляции. Очевидно, что использование искусственной гидрологии представляет мощную основу для научных исследований. Оставляя в стороне дискуссию о недостатках и преимуществах детерминированных и стохастических моделях, коротко остановимся на последних. Что касается проектной практики, то примеры использования стохастических моделей довольно редки. Возможности использования таких моделей существенно расширились с развитием компьютерных технологий. Различие методик проявлялась в выборе типа функции безусловного распределения, а также автокорреляционной функции для моделирования совокупностей с принятым шагом дискретности во времени. Требования к функциям безусловного распределения определяются двумя факторами – необходимостью исключения области отрицательных значений и наличием независимой асимметрии распределения.
Наиболее распространенной из применяемых моделей автокорреляционной функции является простая цепь Маркова, устанавливающая связь между смежными величинами случайного ряда. Одна из модификаций Марковского процесса предусматривает линейную корреляцию между обеспеченностями стока смежных лет с последующим переходом к величинам стока посредством трехпараметрического гамма распределения [10]. При необходимости моделирования нескольких взаимосвязанных гидрологических рядов задача естественно усложняется. В работе [4] предложен следующий метод. Задается конечное число независимых случайных величин и ищется такое линейное преобразование, при котором их статистические характеристики: математические ожидания, ковариационная матрица и третьи несмешанные моменты достаточно близко совпадают с известными оценками параметров.
Результаты исследований
Практическое построение корреляции между обеспеченностями стока представляется удобным и эффективным. Кроме того, использование обеспеченностей выигрывает благодаря преемственности с водохозяйственными расчетами. Отмеченный ранее композиционный метод не применим к равномерно распределенным случайным последовательностям (то есть обеспеченностям), поскольку равномерное распределение — однопараметрическое. С целью расширения области действий с обеспеченностями в работе [11] рассмотрена возможность использования для их описания бета – распределения. Бета — распределение – двух — параметрическое, при определенных ограничениях – одномодальное, с регулируемым положением моды. Это особенно важно для построения условных распределений вероятностей величин стока. Рассматриваются две последовательности равномерно распределенных случайных величин p и q. Соответствующая функция плотности распределения этих величин и функция распределения имеют вид (1).
(1) (1).
Условное распределение, достаточно гибкое и может быть подобрано вариацией параметров бета-функции. Параметры бета-функции, в свою очередь зависят от оценки корреляции и достигнутого значения обеспеченности p, которое принимается за моду распределения. Существенным моментом при формировании характера связи является выбор параметра для построения уравнения регрессии. При сравнении математического ожидания и моды предпочтительно использование модальных значений, более подходящих для построения корреляционной связи. Для описания линейной корреляции между равномерно-распределенными случайными величинами p и q принимается модель соответствия коэффициента корреляции r моде условного распределения mq. Принимаемая линейная зависимость между модой условного распределения и коэффициентом корреляции согласуется с логикой предшествующих исследований. Сохраняется и структура уравнения регрессии по сравнению с [10]. Значение стандарта условного распределения выражается через стандартное отклонение безусловного равномерного распределения с помощью известного соотношения (2).
Используя далее выражения для моды распределения и стандарта, получаем систему уравнений (5), в результате решения которой определяются параметры бета-функции и соответствующего бета-распределения.
(4)
Система (5) сводится к кубическому уравнению относительно β, определяющему значения параметров α и β бета-функции условного распределения в зависимости от коэффициента корреляции r и достигнутой обеспеченности p [11].
Критерии удовлетворения требований водопользователей
Наряду с объемом и режимом водопотребления существенную роль играет система критериев удовлетворения этих требований. Важность позиции связана с тем, что она в значительной степени определяет параметры мероприятий и стратегию управления. Изменение расчетной обеспеченности на 10 % при высокой изменчивости может в 2 раза увеличить или уменьшить требуемую величину объема водохранилища при одной и той же величине гарантированной отдачи. В то же время значения критериев не прописаны в нормативной литературе (за исключением максимальных расходов, устанавливаемых в зависимости от класса сооружений и ситуации в нижнем бьефе гидроузлов). По этой причине критерии устанавливаются на основании опыта отечественного и зарубежного проектирования. Вопрос требует отдельного рассмотрения, с точки зрения обоснования обеспеченности покрытия, допустимой глубины перебоев, возможно, других показателей. В работе [9] сделана попытка обоснования значений критериев в системе обеспеченность – глубина перебоев. Рассматривая дефицит g как случайную величину, обозначим ее функцию плотности распределения ρ(g), максимальное значение — gmax. Подход позволяет сформулировать математическую зависимость между статистической характеристикой Pчбл (обеспеченностью по числу бесперебойных лет) и объемом гарантированной воды, отдаваемой потребителям в среднем за многолетие R(Reliability) и линейно связанной со среднемноголетним годовым дефицитом Dср. Понятно, что в такой постановке за пределами рассмотрения остаются вопросы, связанные со стоимостью сооружений водохозяйственной системы. Предполагается, что интегральным показателем этой части инженерной задачи является величина R. Задача в этом случае формулируется следующим образом.
Следует определить обеспеченность годовой гарантированной отдачи A по числу бесперебойных лет Pчбл и соответствующую функцию плотности распределения ρ(g) за пределами расчетной обеспеченности, приводящих в совокупности к наименьшей за многолетие сумме экономических ущербов U при заданных значениях R и функции u(g) экономических ущербов.
(5)
(6)
Рис. 1. Расчетная схема к обоснованию критериев.
Система (5) — задача вариационного анализа. Решение ее в общем виде представляет в большей степени математический интерес. С точки зрения водохозяйственного смысла требуется большая конкретика в части входящих параметров, включая функции отраслевых ущербов и вид функции распределения дефицитов. Для решения системы (5) автором разработана несложная имитационная модель с применением алгоритма поиска решения в среде XL.
Статистические испытания показывают, что наиболее устойчивой является монотонно возрастающая функция плотности распределения дефицитов. Для анализа результатов функцию ущербов удобнее всего задавать степенной функцией , которая меняет кривизну при переходе показателя степени m через единицу. Параметр m задает скорость увеличения ущерба с ростом дефицита. В диапазоне значенийимеем (рис.1). Значения gmax с использованием модели получены для разных сочетаний R, M, pчбл.
Для сопоставления экспериментальных результатов, где вид функции распределения является результатом поиска решения, с аналитическим решением рассмотрен вариант равномерного распределения, для которого получено соответствующее аналитическое выражение (7), дающее хорошую сопоставимость с результатами компьютерных испытаний.
(7)
Водохозяйственные балансы как инструмент планирования мероприятий по управлению водными ресурсами
Балансовый метод один из основных методов водохозяйственного обоснования параметров и режима водохозяйственных систем. Особенности и технология балансового метода изложены во многих работах [1, 7, 8, 9]. Рассматривая различные сценарии ввода мероприятий, направленных на экономию водных ресурсов и регулирование качества воды, мы выявляем необходимость коррекции водопотребления, необходимость многолетнего или сезонного регулирования стока, целесообразность дотации стока из внешнего бассейна.
Таким образом, первоочередные управляющие воздействия проявляются в динамике внедрения водохозяйственных мероприятий, таких, как создание оборотно-прямоточных и комбинированных систем водоснабжения , сокращение удельных норм водопотребления (в том числе оптимизация оросительных норм) за счет повышения технологичности, повторного использования очищенных бытовых стоков в промышленности, активного использования биоинженерных систем в структуре водного хозяйства. Регулирование и территориальное перераспределение стока следует в этом случае рассматривать как мероприятия второго этапа.
Построение водохозяйственных балансов, учитывающих названные обстоятельства, при обосновании параметров и режима функционирования водохозяйственных систем возможно только с использованием имитационного моделирования, в особенности на трансграничных водных объектах. В любом случае ВХБ нельзя рассматривать как формальное сопоставление водных ресурсов водопотреблению, поскольку структура баланса настраивается на принципиальную конкретную проектную схему водохозяйственных и водоохранных мероприятий. Имитационные модели с элементами оптимизации используются для построения диспетчерских графиков работы отельных водохранилищ и сложных водохозяйственных систем, таких, в частности как Москворецкая водная система вместе с Вазузской гидротехнической системой.
Выводы
Управление водными ресурсами – многофакторная задача комплексного водопользования, решение которой связано с инженерно-гидрологическим, водохозяйственным и экологическим обоснованием режимов функционирования различных водохозяйственных систем применительно к практике их проектирования и эксплуатации. Возникающие при этом частные задачи требуют совершенствования методики решения, как правило, с помощью имитационных математических моделей. Задачи классифицированы в работе и рассмотрены методические аспекты соответствующих методик.
Существующие пакеты компьютерных программ для имитационного моделирования достаточно эффективны, тем не менее, всегда требуется их доработка применительно к конкретному водному объекту, либо новая разработка модели.
Отдельная задача, это стохастическое моделирование многолетних рядов стока, в частности, выбор типа условных и безусловных распределений. В статье приводится методика моделирования взаимосвязанных рядов стока на основе бета — распределения между обеспеченностями величин годового стока. Предложена также методика обоснования обеспеченности удовлетворения требований водопользователей. Этот показатель является определяющим при определении состава и параметров водохозяйственных мероприятий и сооружений в процессе выполнения водохозяйственных расчетов.
Список литературы
- Асарин А.Е. Водохозяйственные расчеты / А.Е. Асарин, К.Н. Бестужева, A.B. Христофоров, P.C. Чалов. ─ М.: МГУ, 2012. ─143 с.
- Глазунова И.В., Раткович Л.Д. Применение локальных инженерных сооружений для более полного использования местных ресурсов водосбора. // ВодаMagazine. ─ 2012. ─ № 8 (60). ─ С. 34-36.
- Исмайылов Г.Х., Прошляков И.В., Раткович Л.Д. Методология управления большими водохозяйственными системами на примере Волжско-Камского каскада водохранилищ // Мелиорация и водное хозяйство. ─ 2006. ─ №4.─ С.17-22.
- Музылев С.В., Привальский В.Е., Раткович Д.Я. Стохастические модели в инженерной гидрологии. ─ М.: Наука, 1982. ─ 185 с.
- Постановление правительства РФ от 19.04.2012 n 350 «О федеральной целевой программе «Развитие водохозяйственного комплекса российской федерации в 2012 — 2020 годах». . Дата обращения 21.12.2015.
- Распоряжение Правительства РФ от 27 августа 2009 г. № 1235-р.об утверждении Водной стратегии РФ на период до 2020 года. https://www.garant.ru/hotlaw/federal/201522/ . Дата обращения 21.12.2015.
- Раткович Л.Д. Методические особенности водохозяйственных расчетов в современных условиях. Труды конференции «Современные проблемы стохастической гидрологии» в институте Водных проблем РАН. ─ М.: РАН, 2001.─ С.166-170.
- Раткович Л.Д. Методология обосновывающих водохозяйственных расчетов, // Мелиорация и водное хозяйство.─ 2007. ─ № 6. ─ С.32-35. ISSN 0235-2524
- Раткович Л.Д., Маркин В.Н., Глазунова И.В. Вопросы рационального использования водных ресурсов и проектного обоснования водохозяйственных систем. ─ М.: ФГБОУ ВПО МГУП, 2013.─ 258 с. ISBN 978-5-89231-415-2
- Раткович Д.Я. Многолетние колебания речного стока. ─ Л.: Гидрометеоиздат, 1976. ─ 255 с.
- Раткович Л.Д. Моделирование гидрологических рядов с использованием beta- распределения. «Современные проблемы стохастической гидрологии и регулирования стока». / Труды Всероссийской научной конференции, посвященной памяти профессора А.В. Рождественского. ─ М.: РАН ИВП, 2012. ─ С.141-147 .[schema type=»book» name=»АСПЕКТЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ В УСЛОВИЯХ КОМПЛЕКСНОГО ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ» description=»Рассматриваются актуальные проблемы водного хозяйства, связанные с разными способами управления водными ресурсами в интересах комплексного водопользования. Затрагиваются положения государственной водной политики РФ. В частности анализируются водохозяйственные проблемы нескольких речных бассейнов России, связанные с количеством и качеством водных ресурсов. Отмечается низкий уровень водообеспеченности ряда стран и приводится прогноз Института стратегических исследований об ухудшении ситуации к 2025 году. Декларируется необходимость дальнейших научных исследований для совершенствования методики обоснования проектных решений в области водного хозяйства. Рассматриваются инженерно-гидрологические и водохозяйственные задачи и методика их решения. Водохозяйственные балансы представлены как инструмент планирования мероприятий по управлению водными ресурсами. Дается оценка необходимой исходной информации. Рекомендуется методика моделирования речного стока с использованием бета — распределения. Приводится последовательность практического моделирования многолетних рядов годового стока на основе авторегрессии первого порядка. При этом предпочтение отдается простоте и надежности методики. Рассматриваются критерии удовлетворения требований к воде, поскольку именно они определяют масштабы водохозяйственной деятельности. Представлены подходы к обоснованию данных критериев посредством минимизации экономических ущербов. Уделяется внимание методике имитационного моделирования водохозяйственных систем, показана необходимость применения имитационных моделей.» author=»Раткович Лев Данилович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-22″ edition=»euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)» ebook=»yes» ]