SYSTEMY WODNOGOSPODARCZE Wprowadzenie

Definicja System wodno-gospodarczy można zdefiniować jako układ funkcjonalno-przestrzenny, obejmujący naturalne zasoby wód powierzchniowych i podziemnych, środowisko przyrodnicze, w którym one występują, obiekty hydrotechniczne umożliwiające kształtowanie tych zasobów, obiekty użytkowników wody oraz powiązania występujące pomiędzy tymi elementami.

Celem działania tak rozumianego systemu wodno-gospodarczego jest: zaspokojenie potrzeb wodnych różnego typu użytkowników wód obejmujące: zaopatrzenie w wodę ludności, przemysłu, rolnictwa i leśnictwa, energetykę wodną, żeglugę śródlądową, turystykę i rekreację wodną; ochrona zasobów wodnych przed: zanieczyszczeniem i nadmiernym wykorzystaniem oraz utratą walorów przyrodniczych – samych wód jak i obszarów z nimi związanych; zabezpieczenie przed powodzią określonych obszarów.

System wodnogospodarczy Zlewni Górnej Narwi

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Sterowanie obiegiem wody w systemie wodno-gospodarczym umożliwiają obiekty hydrotechniczne (zbiorniki retencyjne, kanały przerzutowe, oczyszczalnie ścieków) realizujące takie funkcje, jak transformacja zasobów wodnych w czasie i przestrzeni oraz kształtowanie jakości tych zasobów. Sterowanie rozrządem wody w systemie wodno-gospodarczym oraz utrzymywanie odpowiedniej jakości wód wymaga podejmowania różnorodnych działań (decyzji): decyzje prawne i administracyjne, decyzje eksploatacyjne związane z rozrządem zasobów wodnych i ochroną jakości wód.

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Decyzje prawne i administracyjne: standardy związane z ochroną wód (np. przepływy nienaruszalne, wymagania jakościowe dla wody do picia, dla ścieków odprowadzanych do wód i ziemi, klasy czystości wód), ustalenia związane ochroną przed skutkami powodzi (np. przepływy nieszkodliwe, strefy zagrożenia powodziowego, zakazy i ograniczenia związane z zagospodarowaniem terenów zalewowych, wielkości rezerw powodziowych w zbiornikach retencyjnych), plany gospodarowania wodną na obszarach dorzeczy, warunki korzystania z wód regionów wodnych i zlewni rzecznych,

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Decyzje prawne i administracyjne (c.d.): zasady eksploatacji obiektów hydrotechnicznych (np. instrukcje gospodarowania wodą dla zbiorników retencyjnych), pozwolenia wodno-prawne na korzystanie z wód, opłaty za pobór wody i odprowadzanie ścieków, opłaty za korzystanie z urządzeń wodnych, kary za naruszanie warunków, jakim powinny odpowiadać odprowadzane ścieki. Decyzje prawne i administracyjne podejmowane są z niewielką częstotliwością (raz na kilka lat) w oparciu o dane historyczne.

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Decyzje eksploatacyjne związane z rozrządem zasobów wodnych i ochroną jakości wód: odpływy ze zbiorników retencyjnych, przepływy wody w kanałach przerzutowych, pobory wody przez użytkowników; Decyzje eksploatacyjne podejmowane są ze znacznie większą częstotliwością (raz na dobę lub kilka dni) z wykorzystaniem informacji o aktualnym stanie systemu (np. napełnienia zbiorników retencyjnych) oraz prognozy dopływów wody do systemu, potrzeb wodnych użytkowników. Mechanizmy decyzyjne służące wyznaczaniu tych decyzji określa się mianem sterowania operacyjnego alokacją zasobów wodnych.

Własności systemów wodnogospodarczych wysoki stopień złożoności, przestrzenne rozmieszczenie obiektów na dużych obszarach, występowanie obiektów o bardzo zróżnicowanej dynamice, jakościowo różny charakter zadań systemu i zasad pracy obiektów hydrotechnicznych w warunkach normalnych i warunkach awaryjnych, wielość i różnorodność celów działania (zaopatrzenie w wodę, rekreacja, ochrona jakości wód, produkcja energii elektrycznej itp.), losowy charakter procesu zasilania systemu w wodę oraz potrzeb wodnych niektórych typów użytkowników wody.

Własności systemów wodnogospodarczych Rzeka Wieprz z Systemem Kanału Wieprz - Krzna Ujęcia wód powierzchniowych na potrzeby przemysłu Stawy rybne Obiekty nawadniane

Własności systemów wodnogospodarczych Rzeka Wieprz Schemat lokalizacyjny obiektów hydrotechnicznych i użytkowników wód powierzchniowych Własności systemów wodnogospodarczych Rzeka Wieprz

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Sterowanie tak wysoce złożonym i zróżnicowanym systemem powinno odbywać się w tzw. strukturach hierarchicznych z uwzględnieniem wielokryterialnego charakteru oceny podejmowanych decyzji Ze względu na losowość procesu zasilania systemu w wodę sterowanie powinno wykorzystywać prognozy i mieć charakter repetycyjny.

Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Sterowanie pracą systemu powinno zapewniać: najlepszą realizacją celów bieżących, właściwą pracę systemu w przyszłości. Długi (kilka miesięcy) horyzont sterowania wynika z dynamiki dużych zbiorników retencyjnych, Krok czasowy (doba, dekada) wynika ze zmienności potrzeb wodnych użytkowników i dynamiki małych zbiorników retencyjnych.

Sterowanie hierarchiczne Sterowanie wielowarstwowe, układ sterujący podzielony jest na kilka wzajemnie podporządkowanych warstw działających z różną częstotliwością i wykonujących różne zadania; Sterowanie wielopoziomowe, cel sterowania systemem jako całością podzielony jest na lokalne cele cząstkowe, przy czym działalność lokalnych jednostek decyzyjnych jest odpowiednio koordynowana.

Sterowanie wielowarstwowe Warstwa najwyższa (planowania retencji) określa sposób działania systemu wodnego dla długiego horyzontu czasowego (rzędu kilku miesięcy) wykorzystując uproszczony opis dynamiki systemu. Podstawowym zadaniem warstwy planowania retencji jest wyznaczenie długoterminowych sterowań pracą zbiorników retencyjnych w taki sposób, aby w pełni wykorzystać ich możliwości transformacji zasobów dyspozycyjnych w czasie. Krok czasowy rzędu 1 miesiąca, tylko duże zbiorniki retencyjne, zagregowani użytkownicy wody, prognozy długoterminowe (statystyczne). Decyzje te mają postać trajektorii napełnień zbiorników wyznaczonych dla długiego horyzontu czasowego (punkty odpowiadające przyjętemu krokowi dyskretyzacji czasu). Wyznaczone w warstwie planowania retencji sterowania pracą kluczowych obiektów systemu stanowią wielkości wejściowe dla układu sterowania w warstwie niższej, nazywanej warstwą dystrybucji zasobów wodnych.

Sterowanie wielowarstwowe Warstwa planowania retencji - Trajektoria napełnienień zbiornika – krok 1 miesiąc Stan końcowy: zadany lub swobodny

Sterowanie wielowarstwowe Warstwa dystrybucji określa sposób działania systemu wodnego dla znacznie krótszego horyzontu czasowego (rzędu dekady lub miesiąca) wykorzystując krótko- lub średnio-terminowe prognozy procesu zasilania systemu w wodę i prognozy potrzeb wodnych użytkowników. Model matematyczny opisujący funkcjonowanie systemu wodno-gospodarczego charakteryzuje się znacznie większym stopniem dokładności odwzorowania struktury systemu niż miało to miejsce w warstwie planowania retencji (małe zbiorniki retencyjne, pojedynczy użytkownicy wody, krok czasowy: doba lub dekada).

Sterowanie wielowarstwowe Warstwa dystrybucji zasobów wodnych - Trajektoria napełnienień zbiornika – krok 1 dekada Stan końcowy zadany.

Sterowanie wielowarstwowe Warstwa sterowania - Trajektoria napełnienień zbiornika – krok 1 doba Stan końcowy zadany.

Sterowanie wielowarstwowe Schemat procedury wyznaczania sterowań pracą systemu

Podsumowanie – sterowanie wielowarstwowe W każdej warstwie rozwiązywany jest problem sterowania dla innego horyzontu czasowego. Im wyższa warstwa tym dłuższy horyzont czasowy. Różny stopień szczegółowości modelu i ilości wykorzystywanej informacji w poszczególnych warstwach. Im niższa warstwa tym wyższy stopień dokładności opisu. Rozwiązanie zadania w danej warstwie dostarcza informacji w postaci trajektorii stanów końcowych niezbędnej dla wyznaczenia sterowań w warstwie niższej.