Применение динамических и стохастических моделей для прогноза месячного притока в водохранилища гидроэлектростанций: На примере Волховской ГЭС

При решении вопроса о нормальной работе гидроэлектростанций особое значение имеет получение корректных прогнозных величин притока в водохранилище ГЭС. Прогнозирование среднемесячного притока в водохранилища ГЭС на территории Северо-Запада ведется с использованием эмпирических зависимостей, связывающих величину суммарных осадков с величиной полезного притока. Большая часть подобных зависимостей построена по данным об осадках и притоке в водохранилища до 1950;го года и, как отмечается прогнозистами УГМС, требует уточнения. Кроме того, многие ГЭС, в частности Волховская, были реконструированы, что повысило способность маневрирования водозапасами с целью выработки дополнительной энергии. Волховская ГЭС осуществляет месячное и сезонное регулирование стока воды, поэтому для ее оптимальной работы необходимы величины месячного притока.

Качество прогнозов притока, полученных по эмпирическим зависимостям, оставляет желать лучшего. К решению вопроса об улучшении качества прогнозов можно подойти двумя путями:

1) уточнить имеющиеся эмпирические зависимости, дополнив ряды суммарных осадков и полезного притока данными за 1950 — 90 гг., построив новые уточненные связи;

2) смоделировать гидрологическую ситуацию в бассейне оз. Ильмень и, применяя современный математический аппарат, получить искомые прогнозные значения притока и уровня озера.

В диссертации выбран второй путь. Целью исследования является разработка новой методики прогнозирования величин среднемесячного притока в водохранилище Волховской ГЭС и уровня оз. Ильмень основанной на получении прогнозной кривой обеспеченности среднемесячного притока.

Для достижения этой цели поставлены следующие задачи:

— собрать, обобщить и проанализировать данные об осадках, речном стоке на водосборе оз. Ильмень и уровне озера за период 1970 — 80 гг.;

— посредством методов корреляционного анализа предварительно оценить численные значения параметров динамических моделей;

— выполнить параметризацию динамических моделей методом оптимизации;

— выполнить поверочные прогнозы притока в водохранилище и оценить их качество;

— подобрать параметры стохастической модели формирования стока и найти способ задания начальных и граничных условий, обеспечивающих получение устойчивых прогнозных кривых обеспеченности среднемесячного притока;

— на независимом ретроспективном материале выполнить поверочные прогнозы кривых обеспеченности и сравнить их с фактическими кривыми по критерию согласия Колмогорова.

В результате проведенного исследования применения динамических моделей склонового стока первого и второго порядка для прогноза месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, динамических моделей первого и второго порядка для прогноза уровня оз. Ильмень, а также стохастической модели формирования стока для прогноза кривых обеспеченности месячного притока получены следующие результаты:

1. На основе динамических моделей формирования стока в виде обыкновенных дифференциальных уравнений первого и второго порядка разработана методика прогнозирования месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, а также среднемесячного уровня оз. Ильмень.

2. Обоснованы и апробированы способы параметризации и задания начальных и граничных условий при использовании уравнения ФПК для прогнозирования устойчивых кривых обеспеченности месячного притока.

3. Разработана, апробирована и доведена до практического использования методика прогнозирования кривых обеспеченности месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, базирующаяся на стохастической модели формирования стока в виде уравнения ФПК.

4. Для реализации прогнозов по новым методикам разработано специализированное программное обеспечение (на языке Object Pascal for Delphi 5) для ОС Windows.

Практическая значимость результатов заключается в повышении качества гидрологических прогнозов притока в водохранилище Волховской ГЭС, а также в получении вероятностной формы прогноза, позволяющей применять элементы теории риска при управлении сбросом.

Основные положения диссертации докладывались на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов и итоговых сессиях ученого совета РГГМУ в 1998 — 2000 гг.- на Первой Международной конференции студентов и аспирантов «Современные аспекты гидроаэродинамики — 98» (СПб, 1998 г.) — Пятой конференции «Динамика и термика, рек водохранилищ и прибрежной зоны морей» (Москва, 1999 г.).

Работа была отмечена в конкурсе персональных грантов (стипендий) 2000 года для студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов по исследованиям в области гуманитарных, естественных, технических и медицинских наук (М00−2.7К-593).

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 47 источников. Работа изложена на 290 странице текста, включая 119 страницы основного текста, 29 рисунков и 10 таблиц и 5 приложений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенного исследования возможности применения динамических моделей склонового стока первого и второго порядка для прогноза месячного притока в водохранилище Волховской ГЭС, динамических моделей первого и второго порядка для прогноза уровня оз. Ильмень, а также стохастической модели формирования стока для прогноза кривых обеспеченности месячного притока получены следующие результаты:

1. Обобщена и статистически обработана гидрометеорологическая информация по 15 метеорологическим и 7 гидрологическим станциям и постам, расположенных в бассейне оз. Ильмень. Это позволило понять особенность механизма формирования речного стока в бассейне оз. Ильмень и оценить параметры динамических моделей.

2. Выполнена параметризация динамических моделей и получены прогнозные значения месячного притока в водохранилище (60 ретроспективных прогноза) и уровня оз. Ильмень (40 ретроспективных прогноза).

3. Выполнена оценка полученных прогнозов по критериям числу оправдавшихся прогнозов Р, и по критериям, применяемым СевероЗападным УГМС. Проведено сравнение прогнозов с применением методики Нежиховского и с применением динамических моделей первого и второго порядка. Выбраны динамические модели и их параметры для последующего использования в новой методике прогнозирования месячного притока в водохранилище Волхоской ГЭС и уровня оз. Ильмень.

4. Для стохастической модели формирования стока оптимизировано значение параметра С, подобраны численные значения параметров — и получены прогнозные кривые обеспеченности месячного притока в водохранилище. Соответствие прогнозных кривых обеспеченности.