1. SYSTEMY WODNOGOSPODARCZE Wprowadzenie

2. Definicja System wodno-gospodarczymożna 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.

3. 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, • żeglugęśródlądową, • 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.

4. System wodnogospodarczy Zlewni Górnej Narwi

5. Sterowanie pracą systemu wodnogospodarczego Sterowanie obiegiem wody w systemie wodno-gospodarczym umożliwiająobiekty 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.

6. 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,

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Ujęcia wód powierzchniowych na potrzeby przemysłu Stawy rybne Obiekty nawadniane Własności systemów wodnogospodarczychRzeka Wieprz z Systemem Kanału Wieprz - Krzna

11. Schemat lokalizacyjny obiektów hydrotechnicznych i użytkowników wód powierzchniowych Własności systemów wodnogospodarczychRzeka Wieprz

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

13. 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.

14. 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.

15. 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.

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

17. Sterowanie wielowarstwowe • Warstwa dystrybucjiokreśla 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).

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

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

20. Sterowanie wielowarstwowe Schemat procedury wyznaczania sterowań pracą systemu

21. 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.