автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Управление поверхностными водными ресурсами при нестационарности их формирования и использования

На правах рукописи

005058533

КРАСОВ Вячеслав Дмитриевич

УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва, 2013

16 НАй 2013

005058533

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет природообустройства» (ФГБОУ ВПО МГУП) на кафедре гидрологии, метеорологии и регулирования стока

Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ Исмайылов Габил Худушевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Асарин Александр Евгеньевич

доктор технических наук, профессор Александровский Алексей Юрьевич

доктор географических наук, профессор Коронкевич Николай Иванович

Ведущая организация: Московский государственный

университет имени М.В. Ломоносова, г. Москва

Защита состоится 20 мая 2013г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в ФГБОУ ВПО МГУП «Московский Государственный университет природообустройства» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201/1.

Тел./факс: 8(495)976-10-46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГУП

Автореферат разослан: 1{ З-ПрСЛЯ 2013г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 19, учёному секретарю диссертационного совета Д 220.045.02.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доцент, кандидат технических наук И.М. Евдокимова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, A.M. 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, B.C. Вуглинского, Я.Д. Гильденблата, Г.Х. Ис-майылова, В.И. Клёпова, H.A. Картвелишвили, В.А. Киктенко, Д.В. Корени-стова, А.Е. Косолапова, Н.И. Коронкевича, Н.Б. Прохоровой, Д.Я. Ратковича, А.Ш. Резниковского, A.B. Рождественского, Г.Г. Сванидзе, Л.Ф. Сотниковой, A.M. 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 водопотреб-

ления 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.

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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы актуальность работы, обоснованы цель и задачи исследования. Определены основные направления, показаны научная новизна и практическая значимость работы.

Глава 1. Усовершенствование методов анализа и использования информации

по стоку рек

Качество исходной гидрологической информации во многом определяет обоснованность решений в области управления водными ресурсами. Одно из важных условий, предъявляемых к анализу рядов стока в такого рода задачах - выявление трендов в многолетних колебаниях водности рек. Такая необходимость вызывается нарушением однородности рядов под воздействием как природных, так и антропогенных факторов.

Критерий однородности Вилкоксона для автокоррелированных рядов. При анализе гидрологических рядов на однородность используются статистические критерии: Фишера, Стьюдента, Вилкоксона и ряд других. В критерии Вилкоксона статистикой является т.н. число инверсий С/.В диссертации критерий Вилкоксона на основе применения длительных искусственных последовательностей стока усовершенствован для случая с наличием автокорреляции. На рис. 2 показано распределение вероятностей числа инверсий для двух значений коэффициентов автокорреляции г = 0 и г = 0,3 для коэффициентов: вариации Су = 0,3 и асимметрии С5 — 0,6.

и

600 500 400 300 200 100 О

0.001 0,01 0,1 0,3 0.5 0,7 0.9 0.95 0.999 р

Рис. 2. Распределение вероятностей числа инверсий и Су = 0,3; С5 = 0,6; I - г = 0; 2 - г = 0,3 Установлено, что коэффициент у, равный отношению стандартов <Ту числа инверсий и, полученных по моделируемым рядам, к величине стандарта сгу, рассчитанного по существующей формуле, зависит практически только от коэффициента автокорреляции. Отмеченная особенность позволяет рекомендовать осреднённые по значениям г величины у > 1,0 для корректировки границ доверительного интервала критерия Вилкоксона при анализе рядов на внутрирядную однородность.

Метод оценки чувствительности критериев однородности. Как показывает анализ, статистические критерии по-разному реагируют на одну и ту же степень однородности рядов. Для оценки чувствительности (эффективности) критериев однородности предлагается «метод модификации». В нем на однородность анализируются две последовательности равной длины - исходная и модифицированная. Наиболее эффективным будем считать тот критерий, который реагирует на меньшее воздействие в отношении исходного ряда. Изложенный подход в различных сценариях изъятия стока использован для оценки эффективности трёх критериев однородности: Вилкоксона, Сть-юдента и Фишера. По первым двум из них итоги проведенного исследования представлены на рис. 3. Условные обозначения на рисунке следующие: 1) критерий Вилкоксона - 1/ПР, ил- правая и левая границы критической зоны; 2) критерий Стьюдента —СКР - критическое значение статистики, 0,05 и 0,01 — значения уровня значимости. Результаты анализа показывают, что критерии Вилкоксона и Стьюдента при уровне значимости д = 0,05 и д = 0,01 могут быть признаны самыми чувствительными из числа рассмотренных. Они реагируют на величины среднего фактического изъятия Лф, начиная с Лф > 0,1 — 0,12 (10-12% нормы стока) (см. рис. 3, где а, б, в, г-сценарии изъятия).

Критерий Фишера не улавливает изменения стока даже при Лф = 0,5 (50% от нормы).

и 1

5000

4000 иПР0,01 11пР0,05

3000 ил0.05 11Л0,01 г 2000

9 8 7 6 5

: 4 Л кро,о1 3

*КР0,052 1 0

12 1

----

•С»

--

-А-

ваш»»» т вшяшштщ

-Л

■е 1-е

а

б в

г

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Рис. 3. Зависимость эмпирических статистик критериев Вилкоксона и Стью-дента от величины фактического изъятия стока.

1 - критерий Вилкоксона; 2 — критерий Стьюдента а — константа; б - прямая; в - парабола-1; г - парабола-2 Эмпирическая статистика критерия Фишера Р не достигает критических значений, т.е. данный критерий не реагирует на изменение стока ни в одном из сценариев изъятия и диапазоне величин Я.

Оценка репрезентативности периода методом «динамических» характеристик. Проблема выбора репрезентативного периода относится к числу важных теоретических положений гидрологических исследований и расчетов. Широкое распространение для этой цели в расчетах нормы стока получил метод интегральных кривых (В.Г. Андреянов). Другой путь, предложенный автором, заключается в определении «динамических» характеристик и ориентирован, прежде всего, на использование при расчете квантилей стока, для которых необходимо устанавливать репрезентативность периода не только по норме стока, но и коэффициентам вариации и асимметрии.

В наиболее общей постановке задача выбора репрезентативного периода сводится к установлению параметров коротких «-летай, образованных путём их последовательного сдвига по длительному ряду стока реки-аналога с дальнейшим установлением системы коэффициентов:

= , (1) где — р-ая оценка зау'-й короткий период, (р - р-ая оценка за длительный период, V = 1,2 ...,/; I- количество оценок.

Условием репрезентативности является выполнение соотношения:

\kjttv) ~ 1,0| < Ер, (2)

где £р - заданная точность сравнения для характеристики (р. Предлагаемый подход использован при оценке репрезентативности периода по основным характеристикам стока, а также по коэффициентам вза-

имной корреляции R, автокорреляции г и параметрам уравнения регрессии для рек Центрального Черноземья.

Глава 2. Методология оценки характеристик модифицированных последовательностей речного стока

Воздействие на речной сток во времени может быть существенно различным: постоянным, а также детерминированным по линейному или нелинейному закону.

Случай постоянного изъятия (повышения) стока. Пусть имеется ненарушенный хозяйственной деятельностью человека хронологический ряд среднегодовых расходов воды Qj продолжительностью N лет (£ = 1,2,..., /V), отражающий стационарные условия формирования стока, с параметрами: среднее Q, стандарт а, коэффициенты: вариации Cv, асимметрии Cs и автокорреляции г, соотношение г] = Cs/Cv. Далее задаемся хронологическими последовательностями, модифицирующими сток. Будем обозначать повышение стока через ап, безвозвратное изъятие воды (в дальнейшем - изъятие) -через аи; характеристики модифицирующих последовательностей будут: текущие значения Ящ'аш> средние ап, аи, (символ «п» означает увеличение стока, «и» - изъятие стока). Рассмотрим варианты увеличения (изъятия) стока, при которых текущие значения модификатора будут: anj = an = const и aHt — ^и = const. Оценим параметры Q*, a*, Cv, Cs, г*, t]* измененных рядов, образованных по соотношениям (символ «*» относится к измененному ряду):

Qi = Qt + anb (3)

Qt = Qi- «иi- (4)

При появлении в измененном ряду отрицательных значений будем полагать Q\= 0.

По свойствам статистических рядов оценки параметров измененного стока будут равны:

- для случая повышения стока

Q* = Q + аП;ст* = o\Cv = вЦЛ* + ап)-Г5 = Cs;r* = г,т]'> щ (5)

- для случая изъятия стока

Q* = Q- аи;ст* = o\C*v = + an);Cj = Cs;r* = г, 77* < q. (6)

Выражения (5, 6) для случая увеличения стока действуют без каких-либо ограничений. Более сложным в методическом отношении является случай изъятия стока, при котором они «работают» только до изъятий, равных минимальному значению Qm[n в исходной последовательности годовых величин стока. Если аИ[ > Qmin, то в измененной стоковой последовательности (с учетом ограничения по отрицательным величинам) появляются значения стока Q\ = 0, в диапазоне вероятностей превышения q0 = (1 — р0), где р0 - левая граница интервала нулевых значений стока (в дальнейшем ИНС). Подобная ситуация иллюстрируется рис. 4.

Рис. 4. Формирование интервала нулевых значений стока (ИНС) Cv = 0,5; Сs = 1,0;аи = 0,3 abc - исходная кривая; abc'- модифицированный случай;

Ьс '- интервал нулевых значений стока Случаю изъятия стока далее уделяется основное внимание. Поскольку в большинстве теоретических распределений вероятности, применяемых в гидрологии, нижний предел стока равен нулю, то в подобных случаях нулевые значения стока, вообще говоря, появляются при любом изъятии, превышающем нуль. Общий вид кривых вероятности превышения стока для таких условий представлен на рис. 4. Как видно из рисунка, кривая измененного стока (abc') представляет собой кривую естественного стока (abc) при перенесении начала кривой вверх на величину йи.

В связи с появлением интервала ИНС следует подчеркнуть следующее. Во-первых, последовательность Qj (или - в модульных коэффициентах) разбивается на две неоднородные части, общий стандарт которых, в принципе, характеризует эту последовательность лишь формально. Во-вторых, вводить новые, усеченные распределения вероятностей р здесь нет необходимости - для определения квантилей стока в зоне р < р0 можно использовать исходную кривую распределения, начало которой перенесено вверх на величину изъятия. В-третьих, фактическая средняя величина модифицированного стока к* будет превышать разность (к — йи) на величину корректирующего слагаемого s, то есть:

к* = к - йи + s. (7)

И, наконец, знание параметров объединенной (с ИНС) последовательности полезно при оценке пределов, при которых влияние ИНС на параметры стока можно считать допустимым. Другими словами, подобным образом можно оценить чувствительность гидрологических систем к изменению речного стока.

В диссертации исследуется вероятность ИНС для различных сочетаний параметров годового стока и величин изъятий; даются формулы для определения параметров модифицированного стока при использовании ранжированных последовательностей трёхпараметрического гамма-распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля в форме координат, помещённых в известных таблицах; прослеживается динамика параметров модифицированного стока на основе использования длительных (до N = 10000) ранжированных последовательностей, полученных с помощью решения уравнения указанного выше распределения.

Оценка параметров модифицированного годового стока при переменном во времени изъятии. Подобная постановка задачи требует наличия хронологических последовательностей стока. Означенный ресурс позволяет рассмотреть различные сценарии модификации стока при детерминированном изъятии (увеличении) водных ресурсов.

В настоящей работе предлагаются следующие основные сценарии:

а) константа aHj = аи = AQ = const;

б) прямая аИ[ = mx/N A.Q;

в) парабола-1 aHj = N)2AQ;

г) парабола-2 aHi = [1 - (N - m1/N)zUQ. (8)

В формулах (8) Я - максимальное изъятие, i = 1,2,..., N; т1 = i.

Формулы (8) даются для случая изъятия, но могут применяться и в

сценариях увеличения стока. Разумеется, число возможных вариантов динамики изъятия во времени не исчерпывается приведенными выше сценариями. В рамки разработанной концепции вполне укладываются случаи учета разнообразных экологических аспектов водопользования.

В качестве конкретной гидрологической модели для задач настоящего исследования здесь и далее использовался ряд величин стока р. Дон у г. Ка-лач-на-Дону с 1876 по 1952 гг. продолжительностью 77 лет (или его параметры - при моделировании длительных последовательностей). Результаты численных экспериментов, проведенных в диапазоне изъятий 0 < XQ < 0,5, представлены на рис. 5.

Основной вывод из данных рис. 5 - трансформация параметров под воздействием изъятия весьма значительная и зависит от сценария изъятия. Так, при Я = 0,5 в сценарии «константа» Q"и Т]* уменьшаются почти в 2 раза, Су в такой же степени увеличивается. Уменьшение составляет 5%, а значение г* сохраняется практически на исходном уровне.

Сценарии aHj Ф const характеризуются меньшим увеличением Су (в 1,35-1,73 раза) и уменьшением С| и г}*, наиболее значительным в сценарии «парабола-1», а также увеличением г* (в 2,9 раза по сравнению с г).

Рис. 5. Трансформация параметров годового стока под воздействием изъятия

(р. Дон, г. Калач-на-Дону) (1 - <?*; 2 - Су; 3 - С5*; 4-а*; 5-г]*;6- г*) а - константа; б - прямая; в - парабола-1; г - парабола-2. Для характеристики степени влияния корректирующего слагаемого .<? на изменение параметров стока в среднем за период N лет предлагаются коэффициенты: «демпфирования» — аиф/аи < 1,0 и трансформации сред-

него значения /2 = (<2 - аиф)/(<2 - Ди) ^ > (%ф = аи + й, где аиф и й - средние значения фактического изъятия и дефицита стока).

Модификация моделированных последовательностей годового стока. Получение искусственных последовательностей производилось на базе теории моделирования величин годового стока, разработанной Д.Я. Ратковичем. Выражение двумерной плотности распределения вероятностей для его модели применительно к задачам настоящего исследования может быть записано в виде: а0р\+ 1 + а.хр\^ 1 + а2р\ + 1 + а3р? + ха4р1 + 1 + а5 = 0, (9)

где а^ = (Piipi.ro),Ь = 0,1, ...4.,а5 = 51 + г - 1, РО Р{ + 1 ~ предшествующий и текущий члены последовательности, г0 - коэффициент автокорреляции величин Р1 и р^

+ 1 - случайное число, равномерно распределенное в интервале [0, 1].

С помощью уравнения (9) получены длительные автокоррелированные последовательности р^, представляющие собой равномерно распределенные в интервале [0,1] значения вероятностей превышения (обеспеченностей) величин годового стока.

1'00 —I—— 1,00

0.60-----

0.50 -----0.50

040 1---1-2.90 ----1-1 —в

— 1 -2

Рис. 6. Трансформация параметров годового стока искусственных последовательностей (Л? = 1000). 1 - изъятие из годовых величин 2 - изъятие из месячных величин

а - константа; б - прямая; в - парабола-1; г - парабола-2 Переход от значений рг- к величинам стока /с^ (в долях нормы) осуществляется с помощью принятого закона распределения вероятностей (в настоящей работе - трёхпараметрического гамма-распределения).

В процессе выполнения поставленных задач длительность последовательностей Pi и ki задавалась далее равной N = 1000 членов.

Модификация элементов последовательности осуществлялась по соотношению (4) с применением системы формул (8) (при Q = 1,0). Результаты оценки влияния изъятия на параметры стока в различных сценариях представлены на рис. 6.

Квантили модифицированного стока. В диссертации исследовано формирование квантилей при модификации годовых величин стока. При аИ1 -> Qi и аи i = const балансовое уравнение, образующее квантиль модифицированного стока, приобретает вид:

QI = Qi-frm + ¿0 = о, (10)

где Qi, сток исходной и модифицированной последовательностей в /-ом году, аИ£, di - изъятие и дефицит стока в ¿-ом году (d; < 0).

Величина (aHj + dj) = аиф; есть фактическое изъятие, меньшее аи¿. Вследствие сказанного происходит смещение Ар* = р — р* квантилей модифицированного стока по вероятности, то есть вероятности превышения р и р* квантилей: исходных Qp и модифицированных Qp не совпадают. В этом же ключе проявляется и влияние неравномерности изъятия в сценариях aMi ^ const. В результате сток Q[, из которого образован квантиль Qp, во многих случаях не равен квантилю исходного распределения Qp. Величину Qv = Qi (или kv = ki при выражении величин стока в долях нормы) назовем «квантилеобразующим» стоком.

Qp, Qp м3/с

1600 Г

0.999'

Рис. 7. Квантили модифицированного годового стока при изъятии Л = 0,5 (р. Дон, г. Калач-на-Дону) 0 - исходный ряд; а - константа; б - прямая;в - парабола-1; г - парабола-2

В диссертации предлагается подход для определения Ар* и квантилей Qp икр в различных сценариях изъятия стока. Квантили Qp для условий ряда, принятого за исходную модель стока, представлены на рис. 7.

Кроме того, исследованы квантили (fcp) и модифицированных искусственных последовательностей годового стока (в долях нормы). Показано, что в большинстве случаев квантили кр соответствуют исходному трехпара-метрическому гамма-распределению.

Оценка выборочных характеристик модифицированных последовательностей годового стока. Исследования этого направления связаны с установлением точности определения параметров и квантилей годового стока. Проблема оценки выборочных параметров стока для немодифицирован-ного случая разработана достаточно широко (в трудах С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля, Е.Г. Блохинова, А.Ш. Резниковского, A.B. Рождественского, Л.Ф. Сотниковой, Т.Ф. Макаровой, З.Ф. Волковой и ряда других авторов). В диссертации она впервые исследуется для модифицированных последовательностей, в направлении анализа смещенности и стандарта выборочных параметров и квантилей.

Смещенность оценок будем характеризовать величиной абсолютного смещения Дсм(ДсМ) и коэффициентом смещения kCM(k*CM):

а) для случая Я = О (исходные условия):

АСм=М(0-СгДсм =Дсм/М(0, (П)

б) для случая Я > 0 (модификация):

Дсм= М(Г) - Км = Дсм/М(Г), 02)

В выражениях (11-12):

<f, - выборочные оценки любого параметра для исходного и модифицированного случаев, (Г, Q - параметры, соответствующие генеральной совокупности исходного и модифицированного случаев («~» - символ выборочное™, М - символ математического ожидания).

Исследование динамики величины Дсм и &см производилось на основе длительных модифицированных последовательностей применительно к параметрам ряда-модели (р. Дон, г. Калач-на-Дону). Объем выборки назначался равным от п = 50 до п = 100 членов при количестве выборок Л/х = 1000.

Анализ показал, что зависимость смещенности оценок выборочных параметров от величины изъятия носит дифференцированный характер. Так, смещенность оценок Су и fj* с ростом изъятия Я имеет тенденцию к уменьшению. При изменении Я от нуля до Я = 0,5 Дсм падает на 16,1% для Су и на 49% для fj*\ значение /ссм снижается на 8,7% для Су и на 11,7% для fj*.Смещение г имеет противоположную тенденцию, возрастая с увеличением изъятия Я (от Я = 0 до Я = 0,5 по Дсм на 19,7%).

В диссертации выполнены исследования стандартов выборочных параметров модифицированного стока. Выявлено, что по мере роста Я стандарты выборочных параметров ö* изменяются в широких пределах, характеристику которых предлагается оценивать коэффициентом модификации стандарта

(KMC) с" = а"/д. В сценарии «парабола-2» для fj*c* - 0,778, для Ср с* = 1,3. Установлено, что при фиксированных Я и сценарии KMC с* практически не зависит от п. Данная особенность позволяет при оценке влияния изъятия на стандарт выборочных параметров оперировать средними значениями ¿"коэффициента модификации стандарта.

В диссертации разработана методология оценки выборочных квантилей модифицированного стока кр. На её основе исследована динамика кр в широком диапазоне сценариев и величин изъятия.

Установлено, что распределение квантилей для исходной и модифицированной последовательностей характеризуется невысокой вариацией и умеренной асимметричностью, которая в целом уменьшается от малых вероятностей к более высоким. Выборочные квантили характеризуются слабым смещением, положительным для малых вероятностей превышения и отрицательным для больших р. Стандарт ар квантилей кр при заданных сценариях Я мало зависит от п.

О распределении квантилей при различных изъятиях Я можно судить по рис. 8, где характеризуется динамика квантиля — о g для сценария «парабола-2».

~кР=0,9

Рис. 8. Распределение вероятностей выборочного квантиля к^ _ ^

(к = 1,0; Cv = 0,367; Cs = 0,706; г] = 1,924; г = 0,109) Сценарий «парабола-2» 1.Я = 0; 2. Я = 0,1; 3. Я = 0,2; 4. Я = 0,3; 5. Я = 0,4; 6. Я = 0,5

Выявлено, что ординаты распределения для разных Я отстоят на величину, близкую к Акр = СфДЛ, где Сф - коэффициент формы сценария (в данном случае Сф = 0.67), ДЯ - приращение максимального изъятия.

Глава З.Оценка антропогенного изменения гидрологических характеристик на основе модификации последовательностей речного стока с внутригодо-

вым распределением В диссертации предложена методология оценки антропогенного изменения гидрологических характеристик на основе модификации последовательностей речного стока с внутригодовым распределением. Модификацию исходной последовательности ку (в долях нормы стока) рекомендуется производилась по соотношению:

где к^ - модифицированный сток /-ого года (I = 1,2,...,Л/), аИу - изъятие

стока ву'-ом интервале /-ого года 0 = 1,2,..., тп, где т - число внутригодовых интервалов), - корректирующее слагаемое для случаев аИц > кц, численно равное дефициту стока ¿¿у ву'-ом интервале /-ого года.

В диссертации исследована динамика параметров и квантилей, модифицированных с учётом внутригодового распределения последовательностей годового стока как по ряду-модели (/V = 77, см. рис. 9), так и для искусственных последовательностей (/V = 1000, см. рис. 6) . Показано, что изменение гидрологических характеристик в данном случае существенно иное, чем при модификации годовых значений.

Моделированию последовательностей стока с внутригодовым распределением посвящены работы М.Б. Фиринга, Г.А. Томаса, Г.Г. Сванидзе, М.В. Болгова, В.Е. Привальского и других авторов.В диссертации длительные последовательности получены на базе теоретической концепции моделирования годовых объемов стока, разработанной Д.Я. Ратковичем.

Сток за внутригодовые интервалы находился по соотношению:

кц = (14)

где /¿у доля стокау'-ого интервала в объеме стока /-ого года, определяемая по

модели (фрагменту) внутригодового распределения стока /-ого года, которая фиксируется случайным образом из данных наблюдений.

Квантили кр модифицированного стока для искусственных последовательностей представлены на рис. 10. Анализ рисунка указывает на отсутствие кр = 0 во всем диапазоне рассмотренных сценариев изъятия. Установлено, что распределение кр удовлетворительно описывается исходным трехпара-метрическим гамма-распределением.

2) 3)

4)

5)

6)

0,5 А

Рис. 9. Трансформация гидрологических параметров стока р. Дон у г. Ка-лач-на-Дону при изъятии стока из внутригодовых значений (Ы = 77) 1 - к*; 2 - а; 3 - Су-, 4 - С^ 5 - г* а - константа; б - прямая; в - парабола-1 ;г - парабола-2 В диссертационной работе исследовано изменение характеристик выборочных параметров и квантилей модифицированного годового стока (смещенность, стандарты) под воздействием величин изъятия, осуществляемых из последовательностей с внутригодовым распределением.

3.0 2.8 2,6 2,4 2.2 2,0 1,8 1.6 1.4 1.2 1.0 0,8 0,6 0.4 0,2

• — — • 0 • а . б . в . г

1 •..

1 »••

•

-.....#

»11! 5 |

0,001

0,01

0,99

0,999

0.05 0.1 0,2 0.3 0,4 0,5 0.6 0,7 0.8 0,9 0,95

Рис. 10. Квантили модифицированных искусственных последовательностей годового стока (при учете внутригодового распределения) к = 1,0; Су = 0,367; С5 = 0,76; ц = 1,924; г = 0,109; Я = 0,5

N = 1000

0 - исходная последовательность; а - константа; б - прямая; в - парабола-1 г - парабола-2

Кроме того, получены основные характеристики распределения оценок выборочных параметров (среднего к*, коэффициента вариации Су, коэффициента асимметрии С$, а также выборочных квантилей кр). В качестве примера на рис. 11 представлено распределение квантиля кр вероятностью превышения р = 0,90.

Для оценки динамики стандартов квантилей под влиянием изъятия предложен коэффициент модификации стандартов квантилей (КМСК) Ср = ар/ар, где ар и ар - стандарты квантиля вероятностью превышения р («*» - символ модификации). Выявлено, что средняя величина КМСК Ср при выбранном сценарии и Я практически не зависит от объёма выборки.

Глава 4. Стратегия управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности речного стока

Под управлением поверхностными водными ресурсами понимается всякое воздействие на речной сток, осуществляемое с целью рационального использования и устойчивого развития природных систем. Теоретические основы такого управления исследовались в трудах В.И. Данилова-Данильяна, В.Г. Пряжинской, И.Л. Храновича.

к*р=0,9

Рис.11. Распределение квантиля вероятностью превышения р = 0,90 (сценарий «парабола-2») 1 - исходная последовательность (Я = 0) 2 - Я = ОД; 3 - Я = 0,2; 4 - Я = 0,3; 5 - Я = 0,4; 6 - Я = 0,5 Важная (а в некоторых случаях - при недостатке насыщения экономической информацией) и основная роль в разработке управленческих моделей названного типа принадлежит гидролого-водохозяйственной составляющей (С.Н. Крицкий, М.Ф. Менкель). При этом стадию выбора параметров водохранилищ, продуцирующую величины полезного объема, гарантированной отдачи, холостых сбросов и дефицитов, необходимых для экономического и экологического анализа, можно отнести к стратегическим элементам модели. Диспетчерские графики работы водохранилища при выбранных параметрах являются инструментом оперативного управления.

Характеристика предлагаемой стратегии управления. В диссертации разработана стратегия управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестационарности, в которой в качестве критерия оптимальности используется надежность водообеспечения (расчетная обеспеченность). Модель предлагаемой стратегии представлена на рисунке 12. Она отображает внутреннюю организацию получения информации для инстанций и лиц, принимающих решения в области водохозяйственного строительства и при-родообустройства. Модель имеет следующую структуру.

Блок А. (гидрологический).Содержащиеся в нем подблоки предусматривают:

1. Анализ однородности и репрезентативности исходной информации по стоку рек с помощью усовершенствованных в диссертации методов.

2. Моделирование длительной последовательности стока объемом Ы, обеспечивающим достаточную близость получаемых параметров (нормы стока к, стандарта а, коэффициентов вариации Су, асимметрии С5, и автокорреляции г,соотношения Т] = С5/Су) с их заданными значениями.

3. Принятие на период N сценария трансформации стока (на основе прогноза роста безвозвратного изъятия воды на хозяйственные цели, привлечения дополнительного стока из других бассейнов, учета климатических изменений и влияния других факторов).

4. Формирование модифицированных последовательностей стока на период N с использованием соотношений (3, 4, 8). Эти последовательности рассматриваются в качестве возможного притока к водохранилищу.

Перечисленные здесь функции блока А подробно рассматриваются в главах 1-3 диссертации.

Блок Б. Регулирование стока. Оно является одной из действенных форм управления водными ресурсами. Основной задачей этого блока является нахождение вида зависимостей гарантированной отдачи и других параметров водохранилища от показателей изменения стока рек, получаемых в гидрологическом блоке (блок А).

В зависимости от вида водохозяйственных задач в блоке Б предусматриваются подблоки:

I. Многолетнего режима водохранилища, в котором оценивается динамика его основных параметров (полезный объем /?, гарантированная отдача а, надежность водоснабжения Р) в зависимости от сценария трансформации притока (величины /? и а выражены в долях нормы стока).

II. Режима первоначального наполнения, который рассматривается при выбранных параметрах водохранилища, и, в свою очередь, может существенно влиять на величину указанных параметров.

В каждом из вышеозначенных подблоков может оцениваться режим водохранилища в двух вариантах: эксплуатационном и проектном. Для подблока I эксплуатационный вариант соответствует наличию к началу трансформации притока водохранилища полезной емкостью /?, с гарантированной отдачей а и надежностью водоснабжения ^.Возникает задача - оценить новую гарантированную отдачу а* при изменившемся притоке и прежней надежности водоснабжения. Функцией проектного варианта является оценка всего комплекса характеристик режима водохранилища при трансформированном стоке на основе рассмотрения различного сочетания параметров регулирования.

Охарактеризованные выше подблоки и варианты модели могут быть задействованы в трех подвариантах. Первый: 1-р и 2-р, что соответствует применению в качестве критерия оптимальности норматива надежности во-дообеспечения (расчетной обеспеченности); второй: 1-э и 2-э, что указывает на использование при оценке оптимальности экономических критериев; тре-

тий: 1-эк и 2-эк, при которых учитываются экологические требования (1 для подблока 1,2- для подблока II). _

I

Подблок I Анализ исходной информации

Блок А. Гидрологический

1 Г

Подблок II Обоснование модели стока

Подблок III Выбор сценария многолетней динамики стока

т_

Подблок IV Получение модифицированных последовательностей стока

Блок Б. Регулирование стока

Г

Подблок I Многолетний режим водохранилища

Подблок II Режим первоначального наполнения водохранилища многолетнего регулирования

В А Р ■ И г А Н Т Ы г

Эксплуатационный Проектный Эксплуатационный Проектный

Т П

О

Л

в

и

н

ы

i i i 1

l-p 1-Э 1-ЭК 2-Р

1-р 1-Э 1-ЭК

2-Э

2-ЭК

Г <

2-Р 2-Э 2-ЭК

Рис. 12. Модель разработки стратегии управления поверхностными водными

ресурсами

Центральным звеном научно-методических построений в рамках предлагаемой стратегии является получение координат у; обобщенных водохозяйственных характеристик (ОВХ). Для означенной цели производится решение уравнения водного баланса водохранилища за период N лет, в результате которого находятся результирующие баланса у-р[ в пределах выбранных временных отрезков. При годовом осреднении величин речного стока значения результирующих будут:

Ур1 =х[ + к1~ (а; + й{) - а, (15)

где Ур1 - результирующая баланса (I = 1,2,..., Ы), х[ - наполнения водохранилища к началу года (при I = 1 х[ = 0, при I > 1 х'^ = у'I — у'I _ \ - наполнения водохранилища к концу (/ — 1) года, к[ - немодифицирован-

ный приток, а/ - изъятие, (¿¿- дефицит стока < 0), а - полезная отдача водохранилища.

Найденные значения yp¿ путем ранжирования по убыванию преобразуются в величины у, представляющие собой ординаты ОВХ, соответствующие различным вероятностям превышения Ф(у):

ф(у) = т/ЛГ + 1, (16)

где, т - ранг величин у в убывающей последовательности.

В результате получаем N пар координат ОВХ, которая в вероятностной форме отображает основные элементы режима водохранилища. Кривая ОВХ в общем случае является непрерывной функцией притока и других параметров. Вместе с тем, она обладает важным свойством: в отдельных зонах ею характеризуются распределение вероятностей наполнений у' водохранилища, холостых сбросов с и дефицитов отдачи с/:

у = у (в пределах 0 < у < /?), с = у - ¡3 (в пределах у > /?), (17)

<2 = у (при у < 0).

На рис. 13 представлена обобщенная водохозяйственная характеристика (ОВХ) для сочетания параметров стока и регулирования: норма стока к = 1, коэффициенты: вариации Су = 0,5, асимметрии С5 = 1,0, автокорреляции г = 0,3; гарантированная отдача водохранилища а — 0,8, полезная емкость водохранилища /? = 1,6, надежность водообеспечения (расчетная обеспеченность) Р = 0,95 для разных значений изъятия (Я = 0 -г- 0,5). На ОВХ выделены зоны наполнений, холостых сбросов и дефицитов водоотдачи. По абсциссе Ф(у = 0) можно судить о надежности водоснабжения Р, разность 1 — ф (у = 0) характеризует вероятность наступления перебоев. Абсциссы Ф(У > /3) обозначают вероятность наступления холостых сбросов воды.

Учет экологических требований. Согласно современным представлениям, в реке необходимо оставлять объем воды, удовлетворяющий экологическим потребностям, обеспечивающий устойчивость развития природных систем. Относительно его величины в специальной литературе имеется ряд предложений, например, по требованиям рыбного хозяйства - В.Г. Дубининой, Д.Н. Катунина, и других авторов. Независимо от величины и внутриго-дового режима экологического минимума, предложенные подходы адаптированы к их удовлетворению. В этой связи следует отметить, что предлагаемая стратегия управления поверхностными водными ресурсами обладает важным свойством: используемая в ее алгоритмах величина аИ£- в /-ом интервале времени может рассматриваться не только как изъятие стока выше водохранилища, но и как обязательный объем попусков из него для экологических целей аЭ1. В этом случае средняя величина остаточного стока к0 — к — аэ представляет собой тот предел водных ресурсов, который может быть использован для регулирования (аэ - средний объем экологического попуска за N лет). В случае необходимости обеспечить «экологический» гидрограф в рамках предложенной стратегии необходимо полагать аИ1- = (аЭ[ - годо-

вой объем «экологического» гидрографа). Требуемый объем экологического попуска за у'-й виутригодовой интервал /-го года аэц можно получать по соотношению:

где ущ ~ доля аЭу в годовом объеме а-ц «экологического» гидрографа. £ = 1,2,..., N (IV - число лет в последовательности стока), у = 1,2,..., Шх (тх- число внугригодовых интервалов).

С 2,0-] 1,5 Ю-\ 0,5 О

У

3,5 3,0 2,5 2,0 0=1,6-

1,0 0,5 О

■0,5 ■У, б

1 ---- 1 2 3 4 5

1

Л _______

Лч Л-" "Ч ---------б

\ ч ч

\ А «ч 1 * «ч «ч

ч» Ч V \

«ч ■, ч д, ч \ ч \

Ф(у)

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 13. Обобщенная водохозяйственная характеристика (ОВХ) Ср = 0,5; С5 = 1,0; г = 0,3; а = 0,8; р = 1,6; Р = 0,95 1.Я = 0; 2.Я = 0,1; З.Я = 0,2; 4.Я = 0,35; Я = 0,4; 6.Я = 0,5 С - холостые сбросы; Я - наполнения; Д- дефициты Таким образом, в случае учета экологических требований, получаемые ранее для сценариев изъятия водных ресурсов результаты исследований по динамике параметров, квантилей стока, его выборочных оценок можно в полной мере отнести к характеристикам остаточного стока.

Экономическая составляющая управления. Во всех предложенных выше подвариантах не только не исключается применение стоимостных показателей, но, наоборот, имеются все возможности для их использования. Отправной позицией в этом отношении является наличие на ОВХ в рассматриваемых сценариях изъятия зоны интегральной функции распределения дефицитов Ф(сГ) при отдаче а* в интервале ц' -1-Р' (с1' - дефицит отдачи при заданном изъятии, Р* - обеспеченность отдачи, ц' - вероятность перебоя, Ф - символ функции, «*» - символ модификации стока). Задачи выбора оптимального значения а^Пт сводится к минимизации выражения:

М№ =/0йу{/(у)Ф'(у)<*У, (19)

где М(5) - математическое ожидание суммарных затрат, у - ордината ОВХ,

и (у) - функция удельных затрат от недодачи воды потребителям в объеме у = <Г, представляющая собой разность между ущербами от дефицита

воды и стоимостью мероприятий /?(сГ) по его преодолению (создание иных источников воды или энергии, резервирование продукции аналогичного вида и т.п.),

Ф'(у) - плотность распределения вероятностей функции Ф(у).

Исследование динамики параметров регулирования стока.

На основе предлагаемой стратегии выполнено исследование динамики параметров регулирования, в процессе которого оценены пределы их трансформации в зависимости от изменения стока (как в сторону уменьшения, так и при увеличении). На рисунке 14 представлена зависимость гарантированной отдачи водохранилища ар для ее обеспеченности Р от величины изъятия аи и увеличения стока ап для групп сценариев и двух подблоков: эксплуатационного ( 1 ) и проектного ( 2 ).

симальное изъятие и увеличение стока 1 и 2 — подблоки; а - константа; б - прямая; в - парабола-1

Из анализа рис. 14 видно, что в группе сценариев зоны изъятия в эксплуатационном подблоке (при /Г = /?) уменьшение ар до аи = 0,3 в случае «константа» практически равно аи; эта тенденция замедляется при аи = 0,4, (на 6,7%) и аи = 0.5 (на 25%). Причина - следствие влияния интервала нулевого стока (ИНС). В сценариях нелинейного изменения a*ui градиент снижения ар увеличивается с ростом изъятия повсеместно. Это подтверждает тот факт, что изменение водоотдачи водохранилищ здесь обусловлено не только уменьшением нормы стока, но и его последствиями: расширением границ критических маловодных периодов и уменьшением их стока. В зоне увеличения стока приращения отдачи в вариантах = ап = const практически аналогичны ап. В нелинейных случаях возрастание ар ниже, чем при таких же значениях изъятия - из-за меньшей степени использования стока за счет холостых сбросов.

Учет внутригодовых колебаний стока. Означенный аспект исследования позволяет рассматривать полезный объем водохранилища как единый параметр и ввести оценку надежности не только по числу бесперебойных лет Рг, но и по числу бесперебойных внутригодовых интервалов (месяцев) Рм.

Оценка динамики параметров регулирования для данного случая проведена применительно к условиям Цимлянского водохранилища на р. Дон.

В процессе исследований здесь не только установлены пределы изменения гарантированной отдачи и ее надежности в зависимости от изъятия (см. рисунок 15), но и получены рекомендации в отношении величины «рыбного» попуска при современном уровне безвозвратных потерь стока.

Рис. 15. Зависимость гарантированной отдачи Цимлянского водохранилища от изъятия стока (при изъятии из внутригодовых значений стока)

Выявлена устойчивость в рассмотренном диапазоне изъятий разности между оценками надежности водообеспечения по числу бесперебойных месяцев и бесперебойных лет. Показано далее, что все программы по использованию ресурсов стока р. Дон выше Цимлянского гидроузла, связанные с безвозвратными отъемами стока реки, могут негативно сказаться на водопользовании в низовьях р. Дон.

Подчеркивается, что проблема водообеспечения в бассейне р. Дон должна решаться на основе концепции интегрированного управления водными ресурсами (А.Е. Косолапов, В.А. Никаноров).

Глава 5. Методология управления режимом первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования стока.

Как известно, водохранилища (или крупные пруды) создаются для регулирования стока и подачи потребителям обусловленного объёма воды а с заданной надёжностью (обеспеченностью) Р. Переходу водохранилища на нормальный (стационарный) режим работы (с отдачей а и надёжностью Р) предшествует период первоначального наполнения с нестационарным режимом, длительность которого £пн зависит от параметров водохранилища: мертвого рм и полезного /? объемов, а также правил управления водными ресурсами.

-а----------1

_1 I I I I I-----1

О 0.1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

Рис. 16. Условные водохозяйственные характеристики (УВХ) Су = 0,5; С5 = 1,0; г = 0,3; а = 0,8; /? = 1,6; Р = 0,95 С - холостые сбросы; Я- наполнения; Д-дефициты 1 - УВХ для первого года; 2 - безусловная кривая

1 - Су = ОД; 2 - Су = 1,0 В общем случае период первоначального наполнения водохранилищ состоит из двух частей:

£пм = + <тъ (20)

где ^ - продолжительность заполнения мертвого объема;

tn - продолжительность заполнения той части полезной емкости, которая обеспечивает переход на нормальный стационарный режим, отвечающий выбранным параметрам регулирования. Назовем такой запас воды «емкостью перехода» /?п- Исследования показывают, что /?п < Р-

Количественная оценка «емкости перехода» зависит от сочетания параметров стока и регулирования. Для установления связи между достигнутой степенью заполнения полезного объема водохранилища Хн и надежностью р^ = Фдо) водоснабжения в последующий период предлагается использовать условные водохозяйственные характеристики (УВХ) (см. рис. 16). Ординаты УВХ у у выражают соотношения между элементами водного баланса

водохранилищ (наполнениями у'ц, гарантированной отдачей а, холостыми сбросами Су и дефицитами йф и вероятностью их превышений в каждый/-й год первоначального наполнения. УВХ могут быть получены на основе использования моделированных последовательностей стока /с¿у необходимой длины N - Л^п* (где N1 - число периодов продолжительностью п*, п* -предполагаемая длительность первоначального наполнения; I = 1,2,... Л/=

1,2 ,...,п*). Значения у ¿у определяются по результатам оценки элементов баланса водохранилища (в долях нормы), по уравнению:

УрЧ = х'ч + кЧ ~ (аЧ + ЛФ ~а> (21)

где Ур^у - результирующая водного баланса для интервала ¿;, х-у - наполнения водохранилища к началу /-го года /-го периода, (при у' = 1 х'и = Л"н), кц

Ч Ч

- приток, а^у - изъятие, ¿/¿у - дефицит стока (с/гу < 0), а - отдача воды потребителям.

Рис. 18. Зависимость ар = (Су = 0,4; = 0,8; г = 0,3; Р = 0,95; а = 0,8; /? = 0,95) В результате последующего ранжирования величин Уру и определения вероятностей превышения Фу величин уу получаем П (по числу лет) УВХ, которые позволяют установить не только надёжность водоснабжения Яу и вероятность перебоя qj = l—Pj для каждого у'-го года периода п по абсциссе Фу(0) на участке наполнений УВХ, но и математические ожидания наполнений Му(у), холостых сбросов Му (с) и дефицитов отдачи и

их распределения.

В качестве «ёмкости перехода» /?п принимается такое наполнение Хн, при котором с заданной точностью е соблюдаются соотношения:

\ртт -Р\<£ или \дтах ~ ч\ < £, (22)

Выявлено, что величина /?п удовлетворительно согласуется с математическим ожиданием наполнений у' по обобщённой (безусловной) водохозяйственной характеристике ОВХ для нормального (стационарного) режима эксплуатации, т.е. /?п = М(у'). Для определения относительной «емкости перехода» фп = Рп/Р предлагаются номограммы, одна из которых представлена на рис. 17.

Для разработки режима отдач при 0 > Хн > /?п предлагается следующий итерационный подход. Величина ар < а, соответствующая Р) = Р при заданном Хн, находятся по её значению, при котором надёжность водоснабжения Рт1П или вероятность перебоя Цщах = 1 ~ ртт в последующий период с заданной точностью ^удовлетворяет соотношениям:

Ф;- + !(0) - Ф7-(0)| > ех, ку + 1-ч\<е1. (23)

На основе подобного подхода строится зависимость ар = Ь(ХН), представленная на рис. 18. Из анализа рисунка видно, что при отсутствии запаса воды (Ян) можно рассчитывать только на отдачу, равную стоку года кр = 0,43, вероятность превышения которого равна принятой надёжности водоснабжения Р = 0,95. С увеличением Хн происходит возрастание ар, а при

Для учета внутригодовых колебаний притока и потребления в разработке правил управления режимом первоначального наполнения рекомендуется путь, в основе которого лежит использование зависимости ар = Ь(ХН). Ординаты диспетчерского графика определяются для серии значений Хи и ар (см. рис. 19).

В рамках предлагаемой концепции разработан подход к учету мертвого объема рм в процессе вероятностной оценки режима первоначального наполнения водохранилищ.

Таким образом, на основе разработанной методологии возможно получение самых разнообразных характеристик водохранилища.

Глава б.Нестационарность в сложных водохозяйственных системах

Современный этап использования водных ресурсов характеризуется функционированием сложных водохозяйственных систем. К числу систем такого рода относится Или-Балхашская в Казахстане и бассейна Дона в Российской Федерации. В динамике их развития элементы нестационарности выражены достаточно отчетливо и связаны с развитием орошения и первоначальным наполнением водохранилищ.

Проблема Или-Балхашской системы освещалась в работах М.Н. Тарасова, Т.И. Искендирова, В.В. Голубцова, А.Н. Жиркевича, С.П. Чистяевой, Р.Д. Курдина, Д.Я. Ратковича и других авторов.

Для Или-Балхашской системы в диссертации разработана модель управления её режимом, учитывающая особенности водного баланса бессточного оз. Балхаш, наличие на р. Или Капшагайского водохранилища и возможные сценарии развития орошения. Предлагаемая модель наиболее полно учитывает характер прямых и обратных связей в Или-Балхашском бассейне и, в особенности, величину и направление перетока воды между Западным (ЗБ) и Восточным Балхашом (ВБ). Согласно модели, наиболее точный путь определения характеристик системы заключается в установлении попуска из Капшагайского водохранилища И^НБ за данный интервал времени совместно с определением уровня оз. Балхаш. Объем попуска находится методом итераций до выполнения с точностью £2 условия:

< £2. (24)

где т - порядковый номер итерации.

Предложенная автором модель была использована для оценки ожидаемого уровня оз. Балхаш при сценарии роста дополнительного безвозвратного изъятия воды на орошение до объема в 3,1 км3 в год (20% к норме стока) через 15 лет после начала заполнения Капшагайского водохранилища. В качестве модели естественного притока по р. Или и рекам ВБ принято и-летие 1930-58 гг. Ожидаемые и фактические уровни оз. Балхаш (гБ) с 1970 по 1986 г. представлены на рис. 20.

343,5 343 342,5 342 341,5 341 340,5 340 339,5 339

« 1 • 2 - 3

кУ Л м

\ Л Л

1 'V Л Л А Ад Лл л

V V \ \ Л

V ЛА 74

1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 19851986

Рис. 20. Ожидаемые и фактические уровни оз. Балхаш I - естественные условия 2 - ожидаемые уровни (с развитием орошения и Капшагайским водохранилищем) 3 - фактические уровни Его анализ показывает удовлетворительное совпадение уровней озера вплоть до 1981 г. Наполнение самого Капшагайского водохранилища из-за резкого снижения уровня оз. Балхаш остановилось на отметке ниже уровня мертвого объема; были утверждены новые параметры водохранилища, м

Рис.21. Вероятные уровни оз. Балхаш в зависимости от величины изъятия

(сценарий «константа») 1 - Я = 0,0; 2 - Я = ОД; 3 - Я = 0,2; 4 - Я = 0,3; 5 - Я = 0,4; 6 - Я = 0,5 В диссертации, для получения характеристик режима оз. Балхаш и Капшагайского водохранилища при новых параметрах в условиях изъятия стока, на базе теоретической концепции Д.Я. Ратковича разработан способ моделирования двух взаимозависимых последовательностей с автокорреляцией. Явный вид уравнений, связывающих сток р. Или (х) и восточных рек

(у), находится с помощью сложных итерационных процедур и представляется в форме:

Ч = 8,48ки[ + 6,42/с^, У1 = 0,49кы + 2,61 кш1 (25). В уравнениях (25): и,ш,У - взаимонезависимые гамма-распределенные последовательности обеспеченностей, моделируемые по схеме простой цепи Маркова, ки, кш, ку - модульные коэффициенты, получаемые по координатам трехпараметрического гамма-распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля, I = 1,2,..., N (/V- объем последовательности). \Упев, км3

Рис.22. Распределение перетоков воды по оз. Балхаш в зависимости от величины изъятия (сценарий «константа») 1 - Я = 0,0; 2 - Я = ОД; 3 - Я = 0,2; 4 - Я = 0,3; 5 - Я = 0,4; 6 - Я = 0,5 В результате при N = 1000 получены распределения вероятностей уровня и перетока воды по оз. Балхаш, а также уровня Капшагайского водохранилища при нестационарности, вызываемой изъятием стока (см. рис. 2123).

Как следует из рис. 21, уже при изъятии Я = 0,3 уровень равновесия для вероятности превышения р = 0,5 составляет 339,7 м, что на 2,3 м ниже уровня равновесия для естественных условий. Анализ рис. 22 свидетельствует о том, что наиболее вероятная величина перетока при Я = 0,3 составляет 1,85 км3 (т.е. на 0,65 км3 ниже средней величины в естественных условиях). При этом возможны величины перетока, близкие к нулю, что повышает опасность перетока из ВБ в ЗБ и увеличивает риск засоления западной части озера.

Рис.23. Вероятные уровни Капшагайского водохранилища в зависимости от

величины изъятия (сценарий «константа») 1 - Я = 0,0; 2 - Я = 0,1; 3 - Я = 0,2; 4 - Я = 0,3; 5 - Я = 0,4; 6 - Я = 0,5

Из рассмотрения рис. 23 видно, что надежность отдачи Капшагайского водохранилища с ростом изъятия быстро уменьшается, достигая при изъятии Я = 0,3 величины Р = 0,5. Это совершенно неприемлемо для Капшагайской ГЭС как энергетического объекта.

Отметим, что названные выше элементы системы, соответствующие различным вероятностям превышения, при новых параметрах Капшагайского водохранилища оценены и на предстоящий период (к 2020 г.).

Теоретические основы расчета водохозяйственных балансов (ВХБ) рассмотривались в трудах С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля, а применительно к бассейну Дона - в работах М.В. Болгова, А.Е Косолапова, Н.И. Сенцовой, В.М. Мишона и других авторов. В диссертации для системы Верхнего Дона предложена усовершенствованная методология построения ВХБ. В её рамках обосновывается развёрнутое уравнение ВХБ, состоящее их 22-х компонентов.

В наиболее общей постановке задание приточности к створам водохозяйственной системы является задачей стохастической. При таком подходе и уравнению (ВХБ) придается стохастический смысл. Нами предлагается способ задания приточности к створам ВХБ всеми имеющимися рядами гидрологических наблюдений за стоком. В этом случае результаты построения ВХБ могут быть представлены в вероятностной форме.

В развернутом виде уравнение для расчета ВХБ Верхнего Дона можно представить в следующем виде:

WB+ WE+ Wn+ Wn3+ Wm+ WB3+ fVCT+ Wr~ -(RnB+Rcx+Rop+Rcm+Roe+Ric+Rjp) -SH-PHc=AW. (26)

Здесь символ W означает приходную часть, R, SM, Рис - составляющие расходной части - требования водопотребителей, водопользователей и дополнительные потери на испарение с поверхности прудов и водохранилищ.

Символы приходной части выражают: WB - поступление воды с вышерасположенного участка реки, WE - естественные ресурсы поверхностных вод расчетного участка (боковая приточность),

W„ - привлечение стока из других бассейнов,

Wn3 - подземные воды, гидравлически не связанные с поверхностными, Win ~ шахтные воды,

WB3 - возвратные и дренажные поды с орошаемых земель, WCT~ сточные воды,

Wp - увеличение водных ресурсов под влиянием регулирования стока прудами и водохранилищами.

Символы расходной части по водопотребителям (использующим воду как вещество):

Rub - промышленное и коммунальное водоснабжение, энергетика Rcx~ сельхозводоснабжение,

Кор, Кож, Rob - орошение из прудов, из живого тока рек, из водохранилищ, R'it\ Rip - заполнение сельскохозяйственных и рыбохозяйственных прудов.

В расходной части по водопользователям (использующим воду как среду) член SH представляет собой наибольшую из следующих компонентов: Spx (рыбное хозяйство), SBT (водный транспорт), SP (рекреация), Sj (санитар-но - экологический попуск).

Поступление воды на нижележащий участок будет равно:

W,rW-R-Pi,c, (27)

где W и Л-сумма приходных и расходных (водопотребители и водопользователи) компонентов ВХБ.

Безвозвратные затраты воды могут быть оценены по выражению:

\Ув^-(\У[п+\УС1+\Уш)+Рис. (28)

Для определения дефицита заданной обеспеченности и оценки возможностей его покрытия в конкретном створе рекомендуется строить кривую распределения балансовых разностей AfV, а также дифференцировать дефицит воды по нескольким категориям. Указанная рекомендация, при наличии стоимостных показателей, позволяет осуществлять оптимизацию водохозяйственных сценариев на базе экономических критериев: выбор надежности водоснабжения (расчетной обеспеченности), распределение водных ресурсов между участниками водохозяйственного комплекса, оценка межбассейновых перебросок стока и т.п.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации впервые разработаны теоретические основы концепции управления поверхностными водными ресурсами при нестационарности их формирования и использования. В качестве критерия оптимальности выступает надёжность водопотребления (расчётная обеспеченность). Концепция позволяет получать не только гарантированную отдачу водохранилища, но и распределение дефицитов водопотребления и холостых сбросов воды, что создает условия для применения экономических критериев. В рамках концепции по отдельным её составляющим получены следующие результаты.

- Усовершенствован критерий Вилкоксона анализа однородности путём оценки влияния автокорреляции рядов стока. Даны поправки к существующему критерию, позволяющие более обоснованно подходить к анализу однородности рядов стока. Метод использован для рядов годового стока рек Центрального Черноземья.

- Предложен метод «модификации» для оценки чувствительности статистических критериев однородности, позволяющий оптимизировать выбор необходимого критерия в ряду возможных. Установлены пределы изменения стока, начиная с которых статистические критерии обнаруживают неоднородность.

- Разработан новый подход к оценке репрезентативности периода для определения гидрологических характеристик не только по норме стока, но и по другим параметрам: коэффициентам вариации, асимметрии, взаимной корреляции, параметрам уравнения регрессии. Подход реализован при установлении границ репрезентативных периодов по стоку рек - аналогов Центрального Черноземья.

- Впервые (на основе модификации последовательностей разного вида, в том числе и с внутригодовым распределением) исследовано влияние изъятия стока на его параметры применительно к широкому диапазону сценариев изменения речного стока во времени.

- Исследован генезис и установлены характеристики квантилей модифицированного стока. Предлагаемый подход применён для установления квантилей годового стока р. Дон у г. Калач - на - Дону.

- Впервые оценено влияние нестационарности на динамику выборочных характеристик модифицированного стока: смещённости и стандарта параметров и квантилей, предложены новые показатели, в частности коэффициенты модификации стандартов параметров и квантилей для оценки фактора нестационарности. Полученные здесь результаты являются пионерными и открывают путь для установления точности получаемых параметров и квантилей стока в условиях нестационарности.

- Впервые разработана стратегия управления поверхностными водными ресурсами при многолетнем регулировании речного стока водохранилищем для условий нестационарности, обусловленной антропогенными изменениями водности рек. Предлагаемая стратегия позволяет получать распределение холостых сбросов и дефицитов, адаптирована к большому числу сценариев

хозяйственного использования, в том числе к учету экологических требований и использованию экономических критериев. Стратегия применялась для оценки динамики элементов режима водохранилищ, в том числе Капчагай-ского и Цимлянского, в условиях возможного уменьшения притока под воздействием антропогенных факторов.

- Разработана методология оценки режима отдач водохранилищ многолетнего регулирования стока в период первоначального наполнения (при соблюдении заданной надежности водообеспечения). В её рамках предложен новый параметр регулирования - «емкость перехода» /?п , характеризующий окончание первоначального наполнения и его переход на нормальную отдачу для стационарного режима без риска срыва её надёжности в последующий период, а также впервые разработаны диспетчерские графики назначения отдачи для первоначального наполнения применительно к внутригодовым интервалам времени.

- Разработана новая модель оценки водного режима Или - Балхашской системы, в которой широко представлены явления нестационарности. Модель использована для установления динамики характеристик системы (уровня оз. Балхаш, перетоков воды по оз. Балхаш, режима Капшагайского водохранилища) при проектных и уточненных параметрах.

- Обосновано развёрнутое уравнение водохозяйственного баланса (ВХБ) для системы Верхнего Дона и получены его характеристики при наивысшем уровне безвозвратного изъятия стока. Результаты ВХБ представлены в вероятностной форме, дефициты стока дифференцированы по категориям, что даёт возможность проводить более обоснованную оценку различных сценариев водопользования.

Разработанная в диссертации концепция управления поверхностными водными ресурсами для условий нестационарности позволяет поднять на более высокий уровень процесс принятия решений в области водного хозяйства, что повышает безопасность водопользования. Концепция ориентирована также на использование при корректировке правил управления режимом существующих водохранилищ, разработанных для стационарных условий.

По теме диссертации автором опубликована 41 работа, основные из которых следующие:

I. В научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Красов В.Д. К методике выбора репрезентативного периода для расчета характеристик годового стока / В.Д. Красов // Водные ресурсы, 1983.- №5.- С. 167-169.

2. Красов В.Д. К методике анализа однородности гидрологических рядов / В.Д. Красов // Водные ресурсы, 1986,- №1,- С. 24-29.

3. Красов В.Д. Оценка репрезентативного периода для определения характеристик речного стока / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2008.- №2.-С. 133-141.

4. Красов В.Д. Трансформация гидрологических параметров под воздействием крупномасштабных изъятий стока / В.Д. Красов // Вестн. Воро-неж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2008,- №1,- С. 116-120 .

5. Красов В.Д. Стратегия управления водными ресурсами в условиях антропогенных изменений речного стока / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2009. - №1- С. 13-22 .

6. Красов В.Д. Управление режимом первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования стока / В.Д. Красов, П.С. Лысачев // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2009.-№2.- С. 72-78.

7. Красов В.Д. Теоретические аспекты оценки вероятностных характеристик режима первоначального наполнения водохранилищ с учетом мертвого объема / В.Д. Красов, П.С. Лысачев, В.Ю. Чернышев // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2010.- №1.- С. 63-65 .

8. Красов В.Д. Управление режимом водохранилищ многолетнего регулирования стока в период первоначального наполнения / В.Д. Красов // Гидротехническое строительство, 2010.- №12,- С. 23-28 .

9. Красов В.Д. Оценка антропогенного изменения гидрологических характеристик на основе модификации последовательностей речного стока с внутригодовым распределением / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2011.- №1.- С. 24-30 .

10. Красов В.Д. Оценка параметров речного стока в условиях нестационарности / В.Д. Красов, Р.Г. Гаджидибиров // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2011.- №2.- С. 52-55 .

11. Красов В.Д. Нестационарность в сложных водохозяйственных системах (на примере Или-Балхашской водной системы) / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2011.-№2,- С. 148-153 .

12. Красов В.Д. Динамика параметров модифицированных рядов годового стока рек / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2011.-№2.- С. 154-157 .

13. Красов В.Д. Оценка чувствительности критериев однородности методом модификации гидрологических последовательностей / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. техн. ун-та, 2011.- Т.7.- №9,- С. 126-129 .

14. Красов В.Д. Квантили речного стока при модификации его годовых величин / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. техн. ун-та, 2011.- Т.7.- №11.З.- С. 8-10 .

15. Красов В.Д. Оценка выборочных характеристик модифицированных последовательностей годового стока / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. агр. ун-та, 2011,-№3(30).- С. 173-181 .

16. Красов В.Д. Оценка водообеспеченности территории на основе водохозяйственного баланса / В.Д. Красов, А.Ю. Черемисинов // Вестн. Воронеж.гос. агр. ун-та, 2011,- №4(31).- С. 246-250 .

17. Красов В.Д. Оценка параметров и квантилей речного стока в условиях существенной внутригодовой трансформации / В.Д. Красов // Водное хозяйство России, 2012,- №5,- С. 4-17 .

II. В журналах, сборниках научных трудов и материалах конференций

18. Красов В.Д. Естественный и проектный режим оз. Балхаш / В.Д. Кра-сов, Т.И. Искендиров // Матер. У-ой всесоюзн. мол.конф. Гидропроекта,-Москва, 1963.-С. 108-109.

19. Красов В.Д. Об условиях перехода водохранилищ многолетнего регулирования стока на режим нормальной эксплуатации / В.Д. Красов, И.В. Гуглий // Матер. 1-й научн.-техн. конф. Гидропроекта, Москва, 1969,- С. 229230.

20. Красов В.Д. Об учете связей между стоком смежных лет при вероятностных расчетах первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования / В.Д. Красов // Матер.республ. конф.- Алма-Ата: Изд. КазГУ, 1970,- С. 42-44.

21. Красов В.Д. Расчет режима первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования на ЭВМ / В.Д. Красов // Матер.республ. совещ. по внедрению вычислительной техники,- Алма-Ата, 1970.- С. 68-76.

22. Красов В.Д. Вероятностный расчет режима отдач в период первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования / В.Д. Красов // - Алма-Ата,- Вестн. АН Каз ССР, 1971,- №1,- С. 60-61.

23. Красов В.Д. Некоторые вопросы первоначального наполнения Капча-гайского водохранилища и водного режима оз. Балхаш на перспективу / В.Д. Красов // Матер. Второй научн.-техн. конф. Гидропроекта. М., 1972.- С. 192193.

24. Гуглий И.В. Об условиях перехода водохранилищ многолетнего регулирования стока на режим нормальной эксплуатации / И.В. Гуглий, В.Д. Красов // Тр. Гидропроекта.-М.: Энергия, 1972. Сб. 26,- С. 41-47.

25. Рубцова Ж.А. Применение ЭВМ в Казахском филиале Гидропроекта / Ж.А. Рубцова, В.Д. Красов, А.Н. Жиркевич // Матер.межд. симпозиума «ЭВМ ГЭС-73»,- Л., 1973,- М. 62-72.

26. Красов В.Д. Прогноз режима Капчагайского водохранилища с учетом изменения водного баланса и уровня оз. Балхаш / В.Д. Красов // Труды ГГИ.-Вып.220.-Л.: Гидрометеоиздат, 1974.-С. 17-32.

27. Красов В.Д. Расчет режима Или-Балхашской водной системы на перспективу / В.Д. Красов // Труды IV гидрол. съезда.-Т.5.-Л.: Гидрометеоиздат, 1975.-С. 87-97.

28. Курдов А.Г. Гидрологический режим р. Цны / А.Г. Курдов, В.Д. Красов // Сб. «Поценье»,- Воронеж.: Изд. ВГУ, 1981.-С.37-44.

29. Шаталов В.Г. Охранный щит Дона / В.Г. Шаталов, В.Д. Красов // Сб. «Долина Дона. Природа и ландшафты»,- Воронеж.: Центр,- Черноз. кн. изд-во, 1982,-С. 120-128.

30. Красов В.Д. Гидролого-водохозяйственные аспекты мелиорации земель / В.Д. Красов// ВНИИГМИ МЦЦ,- Сер. «Гидрология суши», 1983.- Вып.- 19.

31. Красов В.Д. Использование водных ресурсов ЦЧЭР и вопросы рыбного хозяйства / В.Д. Красов, В.В. Делицын // Сб. научных трудов Гидропроекта, 1985,- Вып. 99,- С. 127-135.

32. Красов В.Д. Обоснование водохранилищ для регулирования стока в целях улучшения качества воды / В.Д. Красов, H.A. Булгаков // ВНИИГМИ -МЦД,- Сер. «Гидрология суши», 1986.- Вып. 7 (163).

33. Красов В.Д. Применение ЭВМ в гидрологических и водохозяйственных исследованиях / В.Д. Красов, H.A. Булгаков // ВНИИГМИ - МЦД,- Сер. «Гидрология суши», 1986.- Вып. 7 (163).

34. Красов В.Д. Охрана водных ресурсов в бассейне водохранилища / В.Д. Красов // Сб. «Воронежское водохранилище».- Воронеж.: Изд. ВГУ, 1986.- С. 54-56.

35. Красов В.Д. Методические аспекты построения водохозяйственных балансов / В.Д. Красов // Вестн. Воронеж.гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология, 2007,-№2,-С. 18-25.

36. Красов В.Д. Применение моделированных последовательностей при оценке антропогенного воздействия на сток рек / В.Д. Красов, П.С. Лысачев // Матер. IX межд. научн.-метод. конф. «Информатика»,- Воронеж, 2009.-Т1.-С. 375-378.

37. Красов В.Д. Учет величины мертвого объема при вероятностной оценке режима первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования / В.Д. Красов, П.С. Лысачев // Матер. X межд. научн.-метод.конф. «Информатика».-Воронеж, 2010,- Том I,- С. 368-372.

38. Красов В.Д. Характеристики модифицированных последовательностей годового стока рек / В.Д. Красов, П.С. Лысачев, В.Ю. Чернышев // Матер. XI межд. научн.-метод. конф. «Информатика».-Воронеж, 2011.- Т11.- С. 393.

39. Красов В.Д. Применение моделированных взаимозависимых последовательностей с автокорреляцией для оценки нестационарного режима сложных систем (на примере Или-Балхашскоой водной системы) / В.Д. Красов, П.С. Лысачев // Матер. XII межд. научн.-метод. конф. «Информатика»,- Воронеж, 2012,- Т.1.-С. 191-193.

40. Красов В.Д. Оценка параметров модифицированного стока в задачах управления водными ресурсами / В.Д. Красов, Р.Г. Гаджидибиров // Матер.межд. научн. конф. «Региональные эффекты глобальных изменений климата».- Воронеж, 2012,- С. 502-506.

41. Красов В.Д. Гидролого-водохозяйственные основы управления речным стоком в условиях нестационарности / В.Д. Красов // Сб.научных докладов Всероссийской научн. конф. «Вода и водные ресурсы: системообразующие функции в природе и экономике».- Цимлянск, 2012.- С. 434-440.

Подписано в печать 25.03.13г Формат 60x84/16. Бумага офсетная Объем 2,5 п. л. тираж 120 экз. Заказ № 981

Отпечатано с готового оригинал-макета

в ООО «Цифровая полиграфия» 394036, г.Воронеж, ул. Ф. Энгельса, д. 52 Тел.: (473) 261-03-61. www.print36.ru

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИРОДООБУСТРОЙСТВА» (ФГБОУ ВПО МГУП)

Красов Вячеслав Дмитриевич УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫМИ ВОДНЫМИ РЕСУРСАМИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОСТИ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Специальность 05.23.16 - гидравлика и инженерная гидрология

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Исмайылов Габил Худушевич

Москва, 2013

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования

На правах рукописи

Содержание

Введение.................................................................................6

Глава 1. Усовершенствование методов анализа и использования информации по стоку рек...............................................................18

1.1. Оценка многолетней динамики годового стока рек......................18

1.2. Использование статистических критериев однородности.............22

1.2.1. Применение критерия Вилкоксона к анализу однородности автокоррелированных рядов стока......................................................23

1.2.2. Метод оценки чувствительности критериев однородности.........31

1.3. Оценка репрезентативности периода для определения гидрологических характеристик........................................................38

1.3.1 Метод «динамических» характеристик...................................38

1.3.2. Исследование репрезентативности периода стока рек ЦЧО на основе метода «динамических» характеристик.....................................42

1.3.3. Репрезентативность коэффициента автокорреляции.................51

1.3.4. Репрезентативность коэффициента взаимной корреляции и параметров уравнения регрессии......................................................52

Глава 2. Оценка характеристик модифицированных последовательностей годового стока..............................................................................58

2.1. Изменения гидрологических параметров при постоянном изъятии из величин стока, недетерминированных во времени........................................58

2.1.1. Общие положения............................................................58

2.1.2. Применение таблиц координат трехпараметрического гамма-распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля....................................63

2.1.3. Оценка изменения параметров стока на основе длительных ранжированных последовательностей трехпараметрического гамма-распределения С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля....................................64

2.1.4. Оценка влияния интервала «нулевого» стока (ИНС).......................68

2.2. Оценка параметров модифицированного годового стока при переменном во времени изъятии.......................................................71

2.2.1. Сценарии модификации....................................................71

2.2.2. Использование стокового ряда-модели.................................73

2.2.3. Модификация моделированных последовательностей годового стока..........................................................................................78

2.2.4. Параметры стока модифицированных последовательностей с исключением нулевых значений.......................................................82

2.3. Квантили при модификации годовых величин стока..................84

2.3.1. Условия формирования квантилей.......................................84

2.3.2. Соответствие эмпирических квантилей модифицированного стока исходному теоретическому распределению..........................................88

2.3.3. Квантили при модификации искусственных последовательностей годового стока..............................................................................91

2.4. Оценка выборочных характеристик модифицированных последовательностей годового стока....................................................97

2.4.1. Состояние проблемы...........................................................97

2.4.2. Оценка случайных колебаний характеристик годового стока

на основе искусственных модифицированных последовательностей..........99

2.4.3. Смещенность оценок выборочных параметров........................101

2.4.4. Стандарты выборочных оценок модифицированного стока........103

2.4.5. Выборочные квантили модифицированного стока....................107

Глава 3. Оценка антропогенного изменения гидрологических характеристик на основе модификации последовательностей речного стока с внутригодовым распределением.......................................................113

3.1. Общие положения...............................................................113

3.2. Параметры модифицированных последовательностей..................115

3.2.1. Использование стокового ряда-модели...................................115

3.2.2. Использование моделированных последовательностей...............119

3.3. Квантили годового стока............................................................122

3.3.1. Использование ряда-модели................................................122

3.3.2. Квантили моделированных последовательностей.....................127

'¡V. ч Ш

3.4. Выборочные характеристики модифицированных последовательностей...........................................................................................131

3.4.1. Смещённость оценок выборочных параметров.........................132

3.4.2. Стандарты выборочных оценок...........................................136

3.4.3. Выборочные квантили.................................................................143

Глава 4. Стратегия управления поверхностными водными ресурсами в условиях нестанционарности речного стока.......................................152

4.1. Основные положения...........................................................152

4.2. Характеристика предлагаемой стратегии управления...................153

4.2.1. Учет экологических требований...........................................158

4.2.2 Экономическая составляющая управления..............................159

4.3. Исследование динамики параметров регулирования стока.............160

4.3.1. Динамика надежности водообеспечения.................................161

4.3.2. Динамика гарантированной отдачи водохранилища (эксплуатационный вариант)...........................................................163

4.3.3. Динамика гарантированной отдачи водохранилища (проектный вариант)....................................................................................167

4.3.4. Динамика полезной емкости водохранилища...........................171

4.3.5. Динамика гарантированной отдачи водохранилища в модифицированных условиях под влиянием изменения исходных характеристик стока и регулирования...............................................173

4.4. Использование моделированных последовательностей стока с внутригодовым распределением...........................................................178

4.5. Принципы оперативного управления поверхностными водными ресурсами.................................................................................190

4.5.1 Применение диспетчерских графиков....................................190

4.5.2. Распределение воды между участниками водохозяйственного

комплекса..................................................................................193

Глава 5. Методология управления режимом первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования стока...............................197

5.1. Особенности режима первоначального наполнения водохранилища при комплексном использовании стока.............................................200

5.2. Анализ методов оценки режима первоначального наполнения водохранилищ многолетнего регулирования стока...............................212

5.2.1. Календарный метод...................................................................213

5.3. Предлагаемая методология управления режимом первоначального наполнения.................................................................................217

5.3.1. Определение «ёмкости перехода»................................................217

5.3.2. Правила управления режимом водоотдачи..............................226

5.3.3. Учёт величины мёртвого объёма.....................................................230

Глава 6. Нестационарность в сложных водохозяйственных системах.......235

6.1. Или-Балхашская водная система..........................................236

6.1.1. Общая характеристика.....................................................236

6.1.2. Предлагаемая модель оценки водного режима Или-Балхашской системы..................................................................................................238

6.1.3. Использование в качестве модели стока и-летий, сформированных из ряда наблюдений........................................................................................245

6.1.4. Фактический режим Капшагайского водохранилища и

уровня оз. Балхаш..................................................................247

6.1.5. Использование искусственных последовательностей притока...251

6.2. Методические аспекты построения водохозяйственных балансов

(на примере Верхнего Дона)......................................................261

6.2.1. Модель расчёта ВХБ.......................................................261

6.2.2. Результаты оценки ВХБ Верхнего Дона.........................................264

6.2.3. Возможности совершенствования методики оценки ВХБ.........265

Заключение.................................................................................272

Список литературы.......................................................................275

Приложение. Акты о внедрении......................................................301

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. 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.

Если исходить из бассейнового принципа, то в системе управления водным хозяйством можно выделить два основных потока информации: В.И. Данилов-Данильян, В.Г. Пряжинская, И.Л. Хранович [70, 73, 74, 172 и др.]. Один - по уровням принятия решений от федерального до низовой хозяйственной территории. Другой - по состоянию водного хозяйства в различных его звеньях (бассейновый округ, речной бассейн, экономический район, водохозяйственный участок, водохозяйственная система, отдельное водохранилище или крупный пруд). На водохранилище - регуляторе в соответствии с правилами эксплуатации принимаются решения, обеспечивающие регулирование стока, безопасность сооружений, поддержание заданной надежности водоснабжения, наиболее полное использование водных ресурсов с учетом экологических требований. В идеале число блоков в обоих потоках должно быть одинаковым.

Модель системы управления водными ресурсами можно представить в виде следующих основных блоков (рис.1):

1) - оценка состояния водного хозяйства или отдельных его звеньев (объем наличных водных ресурсов, его использование и степень экологической безопасности);

2) - разработка стратегии (цели) управления;

3) - выбор средств управления.

Названные блоки действуют на каждом иерархическом уровне; наличие не только прямых, но и обратных связей, как между блоками, так и раз-

личными уровнями управленческой структуры, позволяет учитывать изменения в состоянии объектов управления и осуществлять необходимую корректировку целей и решений.

Рис. 1. Функциональная модель управления водными ресурсами.

Наиболее важный и масштабной задачей управления водными ресурсами является выработка общей стратегии. В развитии нашей страны был период, когда выбор цели виделся безвариантным - главный приоритет в удовлетворении требований к воде отдавался гидроэнергетике, зачастую в ущерб другим участникам водохозяйственного комплекса. Управление водными ресурсами гидроузлов сводилось к оптимизации энергетического водопользователя. Требования остальных потребителей учитывались системой ограничений: Е.В. Цветков и др. [205]. Со временем негативные последствия такой стратегии стали очевидными, и тенденции в развитии водопользования сместились в сторону учета интересов неэнергетических участников (ороше-

ние, рыбное хозяйство, водный транспорт), к минимизации затоплений и подтоплений.

Во второй половине прошлого века интенсивное увеличение объема промышленного производства, рост городского населения, расширение площади орошаемых земель вызвали резкий подъем водопотребления и недопустимое загрязнение рек и водоемов сточными водами предприятий, населенных пунктов, орошаемых массивов и крупных животноводческих комплексов. В ряде регионов обозначился дефицит воды, как по количеству, так и особенно по ее качеству: A.M. Черняев, И.С. Шахов и др. [47-50, 206, 240]. Во весь рост встала экологическая проблема - сохранение рек и водоемов не только как источников водоснабжения, но и как природных образований, относящихся к важнейшим элементам среды обитания самого человека: В.И. Данилов-Данильян [70, 72, 74], В.Г. Пряжинская [171, 173], Н.М. Новикова [163], Н.И. Алексеевский, H.JI. Фролова, A.B. Христофоров, В.А. Жук [4, 5, 6] и др.

В настоящее время вопросы охраны водных объектов от загрязнения и истощения законодательно закреплены в Водном кодексе Российской Федерации [52]. Возникла настоятельная необходимость в регламентации антропогенного воздействия на водные объекты: В.Г. Пряжинская [173], Е.В. Ве-ницианов [38], А.П. Лепихин и др. [53, 62,63, 155-157, 158, 160-162, 171-173], в углубленном обосновании требований неэнергетических водопользователей, в частности рыбного хозяйства. Из числа известных публикаций на эту тему можно назвать работы Дубининой В.Г. и Катунина Д.Н. [78,79].

Параллельно развивалась теория управления водными ресурсами, основанная на использовании экологических и экономических критериев: В.И. Данилов-Данильян, И.Л. Хранович, Д.Я. Ярошевский [68, 70, 71, 73, 172, 199], А.М. Черняев (ред.) и др. [45, 48], А.Л.Великанов [37],A.B. Христофоров [13, 203], Ю.И. Винокуров [41, 42].

Из зарубежных исследователей следует отметить: Chow V.T. [221], Craig J.F. [222], Economic and environmental...[223], Goodman A.S. [224], Her-

rington P. [226], Kaczmarek Z. [227, 228, 247], Klemes V. [229], Kundzewicz Z.W. [230], Loucks D.P. [231, 232], Maidment D.R. [225], McCuen R.H. [233], Mays L.W. [234], Nachazel K. [235], Newman D.R. [236], Nijkamp P. [237], Petersen M.S. [238], Workshop on Nonstationary... [248], Yen B.C. [249], Yevje-vich V. [250].

Проблема управления водными ресурсами базируется 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), гидролого-водохозяйственный блок имеет самостоятельное значение. Необходимо отметить, что роль гидролого-водохозяйственного блока в современных экономико-математических моделях зачастую недооценивается.

Теория гидрологических расчетов, управления и использования речного стока исследовалась в трудах С.Н. Крицкого и М.Ф. Менкеля [142-150], А.Д. Саваренского [184], А.Е. Асарина [10-13], А.Ю. Александровского [2], Н.И. Алексеевского [4-6], В.Г. Андреянова [7,8], Г.А. Алексеева [3], В.И. Бабкина [15-20], К.Н. Бестужевой [12, 13], Е.Г. Блохинова [24-26], М.В. Бол-гова [27-31, 224], Ю.И. Винокурова [41,42], Ю.Б. Виноградова [39, 40], B.C. Вуглинского [15], Я.Д. Гильденблата [60], Г.Х. Исмайылова [87], В.И. Клёпо-ва [93-95], H.A. Картвелишвили [90], В.А. Киктенко [91, 92], Д.В. Коренисто-ва [97], Н.И. Коронкевича [100, 101], А.Е. Косолапова [102-104], Н.Б. Прохоровой [103], Д.Я. Ратковича [175], А.Ш. Резниковского [178-180], A.B. Рождественского [181, 182], Г.Г. Сванидзе [185], Ш.Ч. Чокина [208], И.А. Шик-ломанова [210-215] и других авторов: [43, 45, 50, 82, 83, 85, 152, 153, 154, 170, 217], а также ряда зарубежных исследователей: Chow V.T. [221], McCuen R.H. [233], Nachazel К. [235], Singh V.P. [240,241], Tallaksen L.M. [242], Thomas H.A. [243, 244], Tong H. [245], Vecehia A.V. [246], Workshop on Nonstationary... [248], Yevjevich V. [250].

Современный этап функционирования водного хозяйства протекает в условиях масштабных антропогенных воздействий на природную среду, в том числе и на водные ресурсы. Отмечается значительный рост безвозвратного изъятия воды из речного стока на хозяйственные нужды, особенно в регионах традиционного орошения. По данным А.Е.Асарина [10] в бассейнах рек Амударьи и Сырдарьи в 80-е годы прошлого века объем воды на орошение достигал 80 процентов среднего многолетнего стока. Уменьшение стока за период 1972-2005 годы выявлено и на некоторых реках Центрального Черноземья ( р. Воронеж, гг. Воронеж и Липецк, р. Тускарь, г. Курск). Антропогенные факторы оказывают влияние и на климатическую систему. Произошло глобальное повышение температуры воздуха.Многими авторитетными специалистами [ 67, 69,71,96 ] прогнозируется изменение увлажненности обширных территорий и изменение стока рек.

Ожидаемые (вкупе с динамикой прямого воздействия хозяйственной деятельности на водные ресурсы) изменения климата требуют от гидрологических моделей применения новых подходов. Ориентация на стационарные условия формирования водных ресурсов становится недостаточной - необходимы инструментарии, учитывающие нестационарность процесса и вызываемую ею трансформацию параметров речного стока и его регулирования.

Учет нестационарности стокового процесса затрагивает многие теоретические разделы гидрологии и водного хозяйства и существенно усложняет проблему управления поверхностными водными ресурсами. Необходимо иметь в виду также, что существующие водохранилища функционируют по правилам эксплуатации, разработанным для стационарного режима стока. В связи с этим надо быть готовым к тому, что значительное изменение водности рек вызовет необходимость корректировки правил использования водных ресурсов созданных водохранилищ. С другой стороны, в рамках затронутой проблемы находится также нестационарность иного рода, вызванная особенностями регулирования стока водохранилищами в период их первоначального наполнения, характеристики которого отображаются распределением ве-

роятностей нестационарного типа. В сложных водохозяйственных системах нестационарность вызывается целым комплексом факторов, требующих специального анализа.

Степень разработанности темы. Выявление характера воздействия