Файл: Резниковский, А. Ш. Управление режимами водохранилищ гидроэлектростанций.pdf

водства, между различными регионами одной страны и все чаще между государствами [Л. 82]. Указанные тен­ денции все в большей мере охватывают и водное хозяй­ ство во многих районах мира. На многих реках уже сей­ час можно отметить тенденцию к их коренному пере­ устройству, к проектированию, созданию и эксплуатации больших и сложных многоотраслевых водохозяйственных систем.

С и с т е м о й называется упорядоченная организация или устройство, состоящее из элементов или частей, вза­ имосвязанных и действующих как единое целое для вы­ полнения некоторых действий, необходимых для дости­ жения определенной цели [Л. 16]. Целью при создании водохозяйственных систем является максимальное удо­ влетворение требований водопотребителей и водопользо­ вателей при наименьших затратах в народном хозяйстве. Элементами водохозяйственной системы являются ее гидроузлы, водохранилища и др. Связи в системе могут быть гидравлическими: естественными (русла рек) и ис­ кусственными (каналы, водопроводы и др.). Кроме того, в гидроэнергетических системах связи могут быть и электрическими.

Любая система действует в определенной внешней среде. Для водохозяйственных систем такой внешней средой является народное хозяйство, которое оказывает влияние на функционирование водохозяйственных си­ стем и само находится под определенным воздействием этих систем.

Развитые и оформившиеся водохозяйственные системы не только охватывают большие территории, не только об­ служивают комплекс различных водопотребителей и во­ допользователей, по и имеют весьма сложные и прочные связи со смежными отраслевыми системами. Такими си­ стемами являются электроэнергетическая (гидроэлектро­ станции и водоснабжение тепловых и атомных электро­ станций), единая транспортная (судоходство и лесо­ сплав) и др. Существенно также отметить связи водного хозяйства с экономикой страны в целом, его влияние на размещение отдельных крупных, особенно водоемких, производств.

По мере развития водохозяйственной системы внут­ ренние ее связи все более усиливаются и приобретают для нее все большее значение. И хотя ее внешние связи не ослабевают, их влияние на развитие системы и на

Ю

правила управления ею уменьшаются. В развитых водо­ хозяйственных системах определяющими режим являют­ ся не столько требования водопотребителей и водополь­ зователей, сколько возможности системы их удовлетво­ рить с минимальными затратами [Л. 12].

При создании сформированных водохозяйственных систем изолированное яо отраслям водного хозяйства и территориям планирование ее дальнейшего развития и управление работой ее отдельных элементов становится затруднительным, и вряд ли при этом можно избежать значительных потерь в народном хозяйстве страны [Л. 11]. Видимо, поэтому в странах с развитым водным хозяйст­ вом и недостаточными водными ресурсами планирование и оптимальное управление водохозяйственными система­ ми нередко возводится в ранг общегосударственной за­ дачи, требующей для своего решения немало затрат и усилий.

Усложнение водохозяйственных систем, все большее значение их внутренних связей и связей со смежными системами и развитием экономики страны в целом дела­ ет непригодным использование старых методов изолиро­ ванного проектирования отдельных объектов водного хозяйства и методов краткосрочного планирования его развития. В новых условиях требуются новые подходы и новые средства осуществления планирования, проектиро­ вания, а также и управления функционированием водо­ хозяйственных систем.

Исследованием методов оптимального проектирова­ ния и управления сложными системами занимается но­ вая наука — системотехника. В соответствии с ней по классификации Хэнссменна [Л. 70] системы с хранилища­ ми различаются между собой по: 1) топологии; 2) пове­ дению во времени и 3) детерминизму.

По т о п о л о г и и системы бывают с одиночными, параллельныхми и последовательными складами. Большие водохозяйственные системы по топологии относятся к си­ стемам с параллельными и последовательными склада­ ми, т. е. к ^классу 'наиболее сложных систем. Топология системы определяет основную структуру задачи управ­ ления ее работой. Эта структура существенно зависит от размера склада-хранилища. Хранилищами энергии в энергосистемах являются склады топлива, а в водохо­ зяйственных системах эту роль выполняют водохранили­ ща. Если первые часто могут служить лишь хранилища­

11

ми кратковременными (неделя, месяц), то водохранили­ ща нередко могут осуществлять функции сезонных и да­ же многолетних регуляторов речного стока. Возможно­ сти аккумулирования избыточной энергии и воды в одни

определяют особую роль в системах крупных гидроэлект­ ростанций с водохранилищами многолетнего регулиро­ вания стока. Роль эта, как будет показано ниже, еще больше возрастает, если рассматриваемые гидроэлектро­ станции имеют значительный удельный вес в энергоси­ стеме и работают в ней совместно с другими ГЭС на этой или других реках (т. е. если имеет место топология с последовательными и параллельными складами).

пользования воды, а также в связи с развитием водохо­ зяйственного строительства на реках практически любые

ные системы не содержат неопределенных параметров, а в е р о я т н о с т н ы е содержат такие неопределенные параметры. Неопределенные параметры можно описать теми или иными функциями распределения вероятностей или указать для них лишь возможный диапазон измене­ ния. С этой точки зрения водохозяйственные системы являются системами вероятностными, ибо как поступле­ ние основного ресурса таких систем — воды, так и по­ требление воды рядом потребителей, например иррига­ цией, является процессом вероятностным. Непрогнозиру­ емые характеристики системы могут быть двух видов: а) случайные процессы с известными законами распреде­ ления 'вероятностей и б) «неопределенные факторы, для которых известна только область распределения факто­ ра, внутри которой они могут находиться, или область, внутри которой находятся законы, если известно, что фак­ тор случаен, но неизвестен точно закон распределения» [Л. '22]. К первому виду чаще всего может быть отнесен речной сток и реже некоторые виды водопотребления, ко второму — в основном экономические характеристики системы.

12

Отнесение характеристик к тому или иному виду за­ висит от объема информации, который о них имеется. При недостатке информации возможны ситуации, когда не только водопотребление, но и речной сток (или толь­ ко некоторые его параметры, например, коэффициент асимметрии) должны быть отнесены к характеристикам второго вида.

Следует отметить, что сами неопределенные факторы подразделяются на несколько категорий [Л. 22]:

1) «Неопределенные факторы, появляющиеся из-за недостаточной изученности каких-либо процессов или величин: такие неопределенности можно назвать природ­ ными». Характерным примером неопределенности этого «... типа является неопределенность в законе распре­ деления случайной величины, относительно которой из­ вестны только первые моменты—математическое ожида­ ние и дисперсия».

2) «Неопределенные факторы, отражающие нечет­ кость знания критерия эффективности». Примером не­ определенности этого «. . . типа является неопределен­ ность в выборе критерия оценки деятельности предприя­ тий, выпускающих продукцию нескольких существенно различных типов».

Введение неопределенных факторов в исследование является сравнительно новым элементом расчета. Си­ стематическое изучение ситуаций с неопределенностями представляет собой предмет, которым занимается теория игр. Применительно к водохозяйственным системам по­ пытки ее использования имеются в работах [Л. 52,10 и др.]. Обобщение этого опыта в настоящее время пред­ ставляется преждевременным. Поэтому в дальнейшем будем предполагать,, что для всех случайных процессов в водохозяйственных системах известны или могут быть приняты законы распределения вероятностей.

Характерной чертой существующих и формирующих­ ся водохозяйственных систем является противоречивость требований к использованию воды отдельными участни­ ками водохозяйственных систем, а также рост дефицит­ ности систем по мере их развития. Дефицитность водо­ хозяйственных систем приводит к недопроизводству от­ дельными участниками водохозяйственного комплекса определенного количества намеченной продукции, т. е. система терпит ущербы от недодачи воды водопотребителям или от неоптимальных режимов водопользовате­

13

лей. Для уменьшения величины ущербов от недодачи воды в 'системе наилучшим способом является увеличе­ ние используемых водных ресурсов, т. е. в первую оче­ редь максимальное приспособление режима речного сто­ ка к режиму его потребления и использования (умень­ шение холостых сбросов воды). В соответствии с терми­ нологией теории исследования операций (см., например, [Л. 22]) для достижения заданной цели функционирова­ ния системы необходимо иметь некоторый набор актив­

с р е д с т в не очень широк. Главным из них, а в некото­ рых случаях и единственным считают водохранилища. Они могут быть с суточным, сезонным и многолетним циклом регулирования (см. ниже).

Даже при наличии в системе водохранилищ глубоко­ го многолетнего регулирования полного зарегулирования речного стока в соответствии с требованиями водопотребителей и водопользователей в развитых водохозяйствен­ ных системах практически никогда достигнуть не удает­ ся. Исключение составляют лишь такие системы, в кото­ рых водные ресурсы существенно превосходят размеры водопотребления и требования водопользователей, а ем­ кости сооруженных водохранилищ с большой надежно­ стью могут обеспечить приспособление режима стока рек к режиму его потребления и использования. Такие случаи имеют место лишь на первых Стадиях развития систем, когда размеры водопотребления далеки от пре­ дельных,. запланированных при расчетных уровнях раз­ вития народного хозяйства в данном районе.

В оформившихся водохозяйственных системах при любом виде регулирования речного стока водные ресур­ сы в водохранилищах и реках в течение времени не бу­ дут всегда соответствовать потребностям. Задачей регу­ лирования речного стока водохранилищами является све­ дение экономических последствий от этих несоответствий в системе к минимуму.

При этом нужно иметь в виду, что в любых водохо­ зяйственных системах практически всегда имеется воз­ можность выбора между расходованием аккумулирован­ ного в водохранилищах запаса воды и использованием таких средств управления, как: 1) частичное и временное ограничение водопотребителей и водопользователей; 2) замена водных ресурсов другими видами производст-

14

ва (так называемые «альтернативные варианты»); 3) Ис­ пользование складов готовой продукции у тех или иных водопотребителей и водопользователей. Использование складов готовой продукции обычно должно сопровож­ даться увеличением мощности предприятий и обязатель­ ным условием возможности сокращения в отдельные пе­

[Л. 39] рассматриваемые водохозяйственные системы должны быть отнесены к системам с производством и хранением группы неоднородных продуктов.

Следует заметить, что для целого ряда водопотреби­ телей отсутствуют альтернативные варианты, т. е. воз­ можности замены водных ресурсов другими видами. Для очень многих водопотребителей и водопользователей нет возможности складировать готовую продукцию, а для других ограничение водопотребления обходится особенно дорого и допускать его явно экономически нецелесооб­ разно. Поэтому в водном хозяйстве возникла необходи­ мость и практически давно применяется шкала приори­ тетов при использовании водных ресурсов. Выработан­ ная на практике шкала приоритетов нашла отражение в опыте нормирования обеспеченности водопотребления и водопользования. Этот опыт в дальнейшем будет ши­ роко использован в иллюстративных примерах, где воз­ можность изменения требований ряда водопользовате­ лей не будет рассматриваться при оптимизации режи­ мов работы системы, а будет приниматься, что их тре­ бования удовлетворяются практически всегда, т. е. бес­ перебойно.

В последнее время в свете успехов прикладной метео­ рологии для некоторых бассейнов рек (горных, напри­ мер) может быть поставлена еще одна интересная зада­ ча выбора активных средств управления количеством водных ресурсов, поступающих в систему. Речь идет о том, что в периоды катастрофических маловодий, про-' должающихея ряд лет и приводящих к сработке водо­ хранилищ многолетнего регулирования стока, следует рассматривать эффективность затрат на зачернение лед­ ников и вечных снегов в горах (такие эксперименты про­ водились в Средней Азии) и на засев облаков йодистым серебром (эти методы используются в США). Указанные меры могут позволить увеличить при необходимости ко­

15