Лекция 8 Моделирование режима управления водохранилищем по диспетчерскому графику

Вопросы:

1. Модель определения отдачи водохранилища при проектировании вхс.

2. Оценка полезных объёмов водохранилищ для увеличений гаран­тированной отдачи.

3. Правила управления водохранилищем.

4. Диспетчерское управление работой водохранилищ.

1. Модель определения отдачи водохранилища при проектировании

и управлении

Отдача водохранилищ определяется притоками, имеющими достаточно высокую вероятность того, что они будут такими же или больше в будущем. Модели, которые будут здесь рассмотрены, используются для оценки объема водохранилища, необходимого для получения различных отдач с заданными вероятностями.

Различные модели отдачи и получаемые с их помощью решения удоб­но иллюстрировать на простом примере с двумя сезонами внутри года.

Таблица 5. Наблюденный незарегулированный приток в створе водохранилища

 

Году	Приток за сезоны внутри года Qlv	Годо­вой при­ток QY	Году	Приток за сезоны внут­ри года Qtv	Годо­вой при­ток Qy
	Qiy	Q2y			Q!y	Q2y
	1,0	3,0	4,0		1,0	5,0	6,0
	0,5	2,5	3,0		2,5	5,5	8,0
	1.0	2,0	3,0		1,5	4,5	6,0
	0,5	1,5	2,0	Сумма	9,0	27,0	36,0
	0,5	0,5	1,0	Сред­ний	1,0	3,0	4,0
	0,5	2,5	3,0	приток

В табл. 5 представлены данные о притоке за 9 лет для каждого сезона в потенциальном створе водохранилища. Эти данные используются для срав­нения решений, получаемых на различных моделях отдачи, а также для ил­люстрации понятия надежности отдачи.

Надежность годовых отдач. Максимальный попуск, который можно, получить в определенном створе путем регулирования наблюденного стока

водохранилищем, часто называется гарантированной отдачей, т. е. такой от­дачей, которую водохранилище может давать всегда. Конечно, это верно только в том случае, если во время эксплуатации не появляются периоды бо­лее маловодные, чем наблюденные в историческом ряду. Очевидно, это вряд ли будет иметь место. Поэтому любой исторической отдаче соответствует вероятность того, что она может быть получена в любой год в будущем при наличии водохранилища определенного объема и при соблюдении опреде­ленного режима регулирования стока.

Для 9-летнего ряда притока, представленного в табл. 1, можно сказать, что если не предусматривается строительство водохранилища для увеличе­ния отдачи в нижнем створе, то гарантированная отдача определяется наи­меньшим зарегистрированным притоком, а именно единица в 5-м году. На­дежность этой годовой отдачи характеризуется вероятностью того, что при­ток в любой год будет не меньше этого значения. Ожидаемое значение веро­ятности превышения наименьшего притока в и-летнем ряду приблизительно равночто для 9-летнего ряда равно 9/(9+1), или 0,9.

В общем ожидаемая вероятность р того, что любой приток ранга m (наибольший приток имеет ранга наименьший) будет таким же

или больше в любой другой год, приблизительно равна. Годовая от-

дача, имеющая вероятность превышения р, обозначена как Yp.

Для независимых событий ожидаемое число лет до того, как приток ранга m будет достигнут или превышен (повторяемость), является эквива­лентом вероятности превышения, а именноОжидаемое число лет до того, как приток будет меньше притока ранга т, является эквивален­том вероятности недодачи в любой год. Таким образом, ожидаемая повто­ряемость, связанная со стоком, имеющим ожидаемую вероятность пре­вышенияравна

2. Оценка полезных объемов водохранилищ для увеличения гаранти­рованной отдачи

Водохранилище с полезным многолетним объемом дает возможность увеличить годовые отдачи и (или) надежности их. Например, последователь­ный пиковый алгоритм позволяет оценить необходимый объем водохрани­лища для обеспечения различных гарантированных отдач Yo,9> связанных с 9-летним рядом приточности, представленным в табл. 5. На рис. 6 показаны годовые отдачи, которые обеспечиваются с помощью различных многолетних полезных объемовбез учета внутригодового распределения отдач и потерь на испарение и фильтрацию. Эта функция называется функцией отда­чи.

Функция отдачи может оыть получена путем определения различных отдачи нахождения для каждой отдачи минимального полезного годово­го объема водохранилищанеобходимого для удовлетворения уравнений неразрывности и уравнений — ограничений объема водохранилища:

Рис.6. Полезный объем водохранилища, необходимый для обеспечения различных отдач, вычисленный по ряду годовых притоков

И опять если(последнему году ряда), топринимаетсяравным1.

Модель отдачи может быть записана так, чтобы она включала желае­мые отдачи и потери на испарение для рассматриваемой задачи.

Предположим, что—доходы, полученные от отдачи,— их

сумма, имеющая вероятность р того, что она будет достигнута или превыше­на в каждом году.

Пусть—годовые затраты на суммарный объем водохранилища

Этот объем включает и мертвыйи противопаводочныйобъемы, необ­ходимые в начале периода t.

Пусть Р обозначает рассматриваемый набор вероятностей превышения именно 0,9 и 0,7. Цель заключается в определении отдач, кото-

рые максимизируют чистый доход. Считается, что неизвестный полезный объем больше нуля, следовательно, мертвый объем _ будет необходим, и установленные потери на испарение будут иметь место.

Для данной задачи модель определения отдачи имеет следующий вид:

или условии:

1) многолетний водный баланс для каждого года у

где

Заметим, что если— последний год наблюдений, то. Для случая нескольких отдач части недодачидля увеличения второстепенных отдач равны нулю. В противном случае гарантированная отдача напри­мер,увеличивается на

2) многолетний полезный объем для каждого года у

3) внутригодовой водный баланс для каждого периода

где, еслиявляется последним периодом года;

4) внутригодовые отдачи должны быть равны в сумме многолетним отдачам. Если есть только одна определенная отдачато это ограничение яв­ляется излишним; тем не менее для нескольких отдач, для всех кроме одного

5) определение потерь на испарение для каждого года у

и (опять предположив, что минимальный многолетний объем равен ну­лю) для каждого периода t критического года:

6)суммарный объем водохранилища для каждого периода

где

Эта модель может быть решена с помощью функции затрат и доходов, а также при задании норм на испарение, мертвого и противопаводочного объемов и возможных частей недодачи

В результате решения могут быть получены значения отдач и требуе­мых многолетних и внутригодовых полезных объемов. Модель может быть расширена путем включения противопаводочного объема как неизвестной эндогенной переменной.

3. Правила управления водохранилищем

Правила управления водохранилищем разрабатываются для использо­вания в устойчивом состоянии, т. е. по завершении периода первоначального наполнения и на определенный запланированный уровень требований.

Существует несколько типов правил, каждое из которых задает желае­мый или требуемый попуск из водохранилища или его объем в любое опре­деленное время года. Некоторые правила определяют объемы (отметки) во­дохранилища («кривые правил»), которых следует придерживаться, если это возможно; другие правила определяют зоны наполнения водохранилища, ка­ждая из которых определяет режим попуска. Этот последний тип правил мо­жет быть разработан на основе модели отдачи.

Для создания правила управления, которое определяет зоны наполне­ния водохранилища, каждая из которых характеризуется определенным ре­жимом попуска, необходимо знать мертвыйи противопаводковыйобъ­емы, а также сезонные объемыв каждый период

Так как ии всеполученные из модели отдачи, относятся ко всем рассматриваемым отдачам (т. е. ко всем р-Р), необходимо определить много­летние и внутригодовые объемы, необходимые для обеспечения каждой от­дельной отдачи у_р1.

Например, предположим, что суммарный многолетний объем, необхо­димый для обеспечения отдачи, равенЭти отдачи и объемы по­лучаются из модели отдачи с использованием любого подходящего метода. Многолетний объемнеобходимый только для, может быть вычислен аналогично. Так же можно рассчитать внутригодовой (сезонный) объемнеобходимый в начале каждого периода t для обеспечения отдач

Сумма многолетнего и внутригодового объемовв каждый период t определяет зону полезных объемов для каждого периода t, необходи­мую для обеспечения гарантированных отдач y₀,9t-

Если в какое-либо время t полезный объем водохранилища находится внутри этой зоны, то попуски из водохранилища не превысят попусков, не­обходимых для удовлетворения гарантированной отдачии если надежность этой отдачи задана.

Разница между суммарным полезным многолетним объемом и суммарным сезонным объемоми соответствующим объемомтребуемым для отдачявляется объемом, необходимым для обеспечения вто­ростепенных отдачс надежностью 70 %.

Если в любое времяполезный объем больше необходимого для обес­печения гарантированной отдачи, а именно. попуски должны удовле­творять обе отдачи

Если полезный объем больше суммы требуемого многолетнегои сезонногообъемов, то может быть сделан такой попуск, который бы удов­летворял любое требование в нижнем течении. Тем не менее, если полезный объем находится внутри зоны управления паводком в период паводка, по­пуски должны делаться с целью уменьшения полезного объема до значения, не превышающего суммарного объема К за вычетом противопаводочного объема

Правила управления, содержащие описанные четыре зоны для задачи с 12 месяцами, показаны на рис. 7. Каждая зона определяет некоторый режим попуска.

Рис. 7. Правила управления водохранилищем для гарантированной и вторич­ной отдачи для года, разделенного на 12 мес: С — зона неограниченного попуска; D — зона противопаводочная; В — зона попусков только для гарантированной и вторичной отдачи; А — зона попуска только для гарантированной отдачи

Если текущее значение объема находится внутри зоны С, то можно да­вать любой попуск из водохранилища. Если текущий объем находится внут­ри противопаводочной зоны D, то попуски должны обеспечить уменьшение объема до нижней границы этой зоны. Если текущий объем находится внут­ри зоны В, попуски должны быть ограничены гарантированными и второсте­пенными отдачами (например,и в данном примере). Если текущий объем находится в зоне А (засушливый период), то попуски должны быть ог­раничены гарантированными отдачами у от­правила управления водохранилищами, разработанные с помощью уп­рощенных моделей, таких, например, как модель отдачи, являются предвари­тельными; они должны быть дополнительно оценены и уточнены перед тем, как войдут в действие.

Расчет параметров и режима работы водохранилищ дается в теории ре­гулирования стока, которая позволяет установить соотношение между ос­новными характеристиками гидроузла: емкостью водохранилища, количест­вом воды, предоставляемой потребителям (отдачей водохранилища), и обес­печенностью отдачи.

Расчетная обеспеченность отдачи характеризует надежность водообеспечения потребителей. Она нормализуется в зависимости от вида потребите­лей и отражает их реакцию на перерывы в нормальном водообеспечении. Чаще всего расчетная водообеспеченность характеризуется в процентах как' вероятность числа бесперебойных лет, в течение которых потребителей удовлетворяют водой полностью. Водопотребители разделены на три катего­рии:

— потребители, требующие практически бесперебойной водоподачи (Р = 96-99 % по числу бесперебойных лет);

— потребители, допускающие более или менее частые отклонения от нормального водоснабжения (Р = 85-90 %);

— наиболее водоемкие потребители, имеющие резервы и стремящиеся к наиболее полному использованию избытков стока (Р = 78-80 %).

В первую категорию входят коммунальное водоснабжение, промыш­ленность, крупные гидроэлектростанции, во вторую - водный транспорт, ос­тальные ГЭС, в третью - сельское и рыбное хозяйство.

Расчетная обеспеченность отдачи является основой для планирования выпуска соответствующей продукции и выбора параметров ВХС и требует технико-экономического обоснования.

Расчетная обеспеченность отдельных компонентов ВХС характеризует работу комплексного гидроузла в режиме нормальной водоподачи.

Нормальный, или гарантированный, режим водоподачи - одна из ос­новных характеристик гидроузлов. В этом режиме участники водохозяйст­венного комплекса получают то количество воды, на которое рассчитаны их производственные мощности и план выпуска продукции (выработка электро­энергии, количество перевезенного водным транспортом груза, урожай сельскохозяйственных культур и т. д.). Гидроузел при этом обеспечивает гарантированную отдачу, т, е. такую, которая с заданной обеспеченностью удовлетворяет требования потребителей в воде за многолетний период. Выражают ее в объемах воды, выделяемых для нужд каждого из участников. Режим распределения гарантированной отдачи во времени определяет режимы сра­ботай и наполнения водохранилища.

Обеспечение гарантированной отдачи - лишь одна из функций водо­хранилища. Кроме режима нормальной водоподачи различают режимы рабо­ты в условиях дефицита водных ресурсов и их избытков.

Режим работы в условиях дефицита воды приводит к определенного вида ущербам в народном хозяйстве, выражающимся в зависимости от глу­бины дефицита либо в увеличении издержек производства, либо в невыпол­нении плана выпуска продукции водопотребителем. В связи со всевозрас­тающим объемом водопотребления все чаще возникает режим работы в ус­ловиях дефицита. Поэтому в практику водохозяйственных расчетов кроме показателя расчетной обеспеченности вводят показатель обеспеченности урезанного водопотребления. Как правило, этот показатель назначают доста­точно высоким для всех водопотребителей.

Использование избытков воды также сопряжено с трудностями. Для их использования необходимо, чтобы избытки воды требовались именно в тот период времени, когда они появляются. Однако появление избытков носит случайный характер. Для большинства водопотребителей - участников водо­хозяйственного комплекса - избытки воды сверх гарантированных можно ис­пользовать лишь в определенных пределах. Например, если их направить на орошение, то необходимо наличие подготовленных земель, а на гидроэлек­тростанции необходимо наличие специальной емкости и включение в график нагрузки энергосистемы.

Одна из важнейших функций водохранилища - обеспечение безопасно­сти сооружений системы при появлении избытков воды сверх гарантирован­ных. Безопасность гидроузла и его бьефов обеспечивается в соответствии с классом капитальности сооружений.

4. Диспетчерское управление работой водохранилищ

Основным показателем, определяющим эффективность работы водо­хранилища, является степень использования стока при обеспечении безопас­ности основных сооружений гидроузла и объектов народного хозяйства, рас­положенных в верхнем и нижнем бьефах..

Наиболее эффективен режим работы водохранилища, предусматри­вающий заблаговременное опорожнение его перед многоводным периодом и экономию потребления воды перед ожидаемым маловодьем. Однако точно реализовать этот режим невозможно из-за несовершенства гидрологического прогноза и незначительной длительности цикла регулирования стока.

Поэтому разрабатывают специальные правила управления работой водохранилищ для того, чтобы в условиях неопределенной информации о предстоящем стоке работники службы эксплуатации гидроузла могли в каж­дый конкретный момент времени устанавливать величину попуска из водо­хранилища. Его можно назначать равным гарантированному, меньше или больше. Если величина попуска будет принята ошибочно, то возможно либо недоиспользование стока, либо преждевременный расход запасов воды в во­дохранилище, что в дальнейшем нарушит нормальную водоподачу.

По этой причине одновременно с водохозяйственными расчетами гарантированной отдачи и выбором параметров гидроузла разрабатывают пра­вила его будущей эксплуатации. Методику построения этих правил рассмат­ривают в теории регулирования стока, и заключается она в использовании при разработке правил эксплуатации результатов анализа работы гидроузла в различных условиях водности, наблюдавшихся в прошлом.

Порядок эксплуатации водохранилищ приводят в виде диспетчерских правил, представляющих собой сочетание правил обеспечения гарантиро­ванной отдачи, своевременного опорожнения емкости водохранилища для аккумулирования паводка и использования избыточных стоков.

Пользуясь диспетчерскими правилами, можно определить отдачу из водохранилища в конкретных гидрологических условиях.

Наиболее распространенная форма диспетчерских правил - это диспет­черский график - зависимость, построенная в координатах время - объем (уровень) воды в водохранилище, представляющая собой серию кривых, ко­торые делят емкость водохранилища на отдельные зоны, соответствующие вышеперечисленным функциям водохранилища: гарантированной отдачи, урезанной отдачи, максимального использования стока, безопасности соору­жений (рис. 8). Пользуясь диспетчерским графиком, можно получить кон­кретную рекомендацию по назначению отдачи из водохранилища» имея только один управляющий параметр - уровень. Например, если в период вре­мениобъем воды в водохранилище равен, то, поскольку точка А с ко­ординатами, та находится в зоне урезанной отдачи, отдачав момент времени т₃ меньше гарантированной на заранее определенный процент. А в момент времени т_ь для точки В с координатамиотдача выше гарантированнойт. е.

Рис.8. Диспетчерский график работы водохранилища: 1 — зона гарантированной отдачи; 2, 3 — зоны повышенной и пони­женной отдачи; 4 — зона холостых сбросов; 5 — зона полной производи­тельности водохозяйственных установок; аб — ветвь наполнения проти-воперебойной линии; бое — ветвь сработки противоперебойной линии; веж — ветвь наполнения противоаварийной линии; вг — ветвь сработки противо-сбросовой линии; ЗИК — линия ограничивающая зону пониженной отдачи

Кривую, ограничивающую зону гарантированной отдачи сверху, назы­вают противоперебойной (линия абв на рис. 8); кривую, ограничивающую зону гарантированной отдачи снизу, а зону пониженной отдачи сверху, - ли­нией урезанной отдачи, или нижней противоперебойной линией (линия зик на рис. 8). Зона пониженной отдачи снизу ограничена уровнем мертвого объ­ема - противоперебойной линией, а сверху - противосбросной, служащей нижней границей зоны, в которой отдача соответствует полной производи­тельности водохозяйственных установок (линия гв на рис. 8). Эта зона сверху ограничена противоаварийной линией (линии аеж и дв на рис. 8). Последняя является нижней границей зоны холостых сбросов, которая сверху ограниче­на ФПУ.

Все перечисленные линии — элементы диспетчерского графика. Каж­дая из них имеет две ветви - наполнения и сработки, соответствующие раз­личным фазам (половодья или межени).

Если гарантированную отдачу обозначить через Q₂, а полную производительность всех водохозяйственных установок -, холостые сбросы -то отдача в зонах будет следующей:

— в зоне гарантированной отдачи

— зоне пониженной отдачи

— зоне повышенной водоотдачи

- — зоне холостых сбросов

Число зон, их конфигурация зависят от следующих факторов: вида регулирования стока водохранилищем, характера внутригодового распределе­ния стока, состава участников водохозяйственного комплекса, топографиче­ских характеристик водохранилища (если в составе участников имеется гидроэнергетика).

Если отдача из водохранилища происходит в соответствии с принятой обеспеченностью, различной для разных участников водохозяйственного комплекса, то зона гарантированной отдачи делится на несколько подзон.

Контрольные вопросы:

1. Чем определяется отдача водохранилищ?

2. Как определяется функция отдач?

3. В чём заключаются правила управления водохранилищем?

4. Почему при разработке управления гидроузлом нельзя; обойтись его математической моделью, но нужны еще и диспетчерские графики?

5. Почему в случае неопределённости оптимизацию выгодно начи­нать с наихудшего варианта?