Cybernetics And Systems Analysis logo
Інформація редакції Аннотації статей Автори Архів
Кібернетика і Системний Аналіз
Міжнародний Науково-Теоретичний Журнал
Том 55 >>> № 1 СІЧЕНЬ — ЛЮТИЙ 2019
УДК 519.8
Ю.М. Єрмольєв, Т.Ю. Єрмольєва, Т. Кахіл, М. Оберштайнер,
В.М. Горбачук, П.С. Кнопов

ПРО МОДЕЛІ СТОХАСТИЧНОЇ ОПТИМІЗАЦІЇ ДЛЯ МЕНЕДЖМЕНТУ
ВОДОСХОВИЩ З УРАХУВАННЯМ РИЗИКІВ

Анотація. У статті наведено огляд публікацій з менеджменту водойм і побудовано нову модель стохастичної динамічної оптимізації для управління балансами водних мас у даній області. Запропонований підхід стохастичної оптимізації допускає такі множинні ключові індикатори результативності, як виробництво у галузі сільського господарства та енергетики, захист від повеней і водоохорона болотистих місцевостей, підтримка біорізноманіття і збереження водойми. Двоетапна особливість запропонованої моделі індукує умови безпеки на водопостачання, відомі як імовірнісні обмеження у стохастичній оптимізації — обмеження безпеки в ядерній енергетиці, обмеження стійкості у страховому бізнесі чи обмеження на умовну міру ризику у фінансах. Початкову нелінійну, неопуклу і часто розривну модель можна звести до задач лінійного програмування.

Ключові слова: стохастична оптимізація, ризик, менеджмент водних ресурсів, двоетапна задача, екстремальні події.



ПОВНИЙ ТЕКСТ

Єрмольєв Юрій Михайлович,
академік НАН України, професор, науковий співробітник Міжнародного інституту прикладного системного аналізу, Лаксенбург, Австрія,  ermoliev@iiasa.ac.at

Єрмольєва Тетяна Юріївна,
кандидат фіз.-мат наук, науковий співробітник програми Міжнародного інституту прикладного системного аналізу, Лаксенбург, Австрія,  ermol@iiasa.ac.at

Кахіл Тахер,
доктор філософії, науковий співробітник програми Міжнародного інституту прикладного системного аналізу, Лаксенбург, Австрія,  kahil@iiasa.ac.at

Оберштайнер Міхаель,
доктор філософії, директор програми Міжнародного інституту прикладного системного аналізу, Лаксенбург, Австрія,  oberstei@iiasa.ac.at

Горбачук Василь Михайлович,
доктор фіз.-мат наук, старший науковий співробітник Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ,  GorbachukVasyl@netscape.net

Кнопов Павло Соломонович,
чл.-кор. НАН України, професор, завідувач відділу Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ,  Knopov1@gmail.com


СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

  1. Гоpбачук В.М. Оптимизационные модели качества воды (по матеpиалам IIASA). Киев: Ин-т кибеpнетики им. В.М. Глушкова АH УССР, 1989. 22 с. (Пpепpинт. Ин-т кибеpнетики им. В.М. Глушкова АН УССР; 89–60).

  2. Zhao T., Zhao J. Optimizing operation of water supply reservoir: the role of constraints. Mathematical problems in Engineering. Vol. 2014. ID 853186. 15 p. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1155/2014/853186.

  3. Huang Y., Chen X., Li Y.P., Bao A.M., Ma Y.G. A simulation-based two-stage interval-stochastic programming model for water resources management in Kaidu–Konqi watershed, China. Journal of Arid Land. 2012. Vol. 4, N 4. P. 390–398.

  4. Alemu E.T., Palmer R.N., Polebitski A., Meaker B. Decision support system for optimizing reservoir operations using ensemble streamflow predictions. Journal of Water Resources Planning and Management. 2010. Vol. 137, N 1. P. 72–82.

  5. Yeh W.W.G. Reservoir management and operations models: A State-of-the-art review. Water Resources Research. 1985. Vol. 21, N 12. P. 1797–1818.

  6. Wurbs R.A. Reservoir system simulation and optimization models. Journal of Water Resources Planning & Management. 1993. Vol. 119, N 4. P. 455–472.

  7. Labadie J. W. Optimal operation of multireservoir systems: state-of-the-art review. Journal of Water Resources Planning and Management. 2004. Vol. 130, N 2. P. 93–111.

  8. Dias B.H., Marcato A.L.M., Souza R.C., et al. Stochastic dynamic programming applied to hydrothermal power systems operation planning based on the convex hull algorithm. Mathematical Problems in Engineering. 2010. Vol. 2010, Article ID 390940. 20 p. DOI: http://dx.doi.org/ 10.1155/2010/390940.

  9. Boucher M.A., Tremblay D., Delorme L., Perreault L., Anctil F. Hydro-economic assessment of hydrological forecasting systems. J. Hydrol. 2012. Vol. 416–417. P. 133–144.

  10. Zhao T., Yang D., Cai X., Zhao J., Wang H. Identifying effective forecast horizon for real-time reservoir operation under a limited inflow forecast. Water Resources Research. 2012. Vol. 48, N 1. DOI: https://doi.org/10.1029/2011WR010623.

  11. Laufer F., Morel-Seytoux H.J. Optimal weekly release from a seasonal reservoir. 1. Deterministic future. Water Resources Research. 1979. Vol. 15, N 2. P. 383–398.

  12. Stedinger J.R., Sule B.F., Loucks D.P. Stochastic dynamic programming models for reservoir operation optimization. Water Resources Research. 1984. Vol. 20, N 11. P. 1499–1505.

  13. Loaiciga H. A., Marino M.A. Risk analysis for reservoir operation. Water Resources Research. 1986. Vol. 22, N 4. P. 483–488.

  14. Carpenter T.M., Georgakakos K.P. Assessment of Folsom lake response to historical and potential future climate scenarios: 1. Forecasting. J. Hydrol. 2001. Vol. 249, N 1–4. P. 148–175.

  15. Yao H., Georgakakos A. Assessment of Folsom lake response to historical and potential future climate scenarios 2. Reservoir management. J. Hydrol. 2001. Vol. 249, N 1–4. P. 176–196.

  16. Wang F.X., Wang L., Zhou H.C., Valeriano O.C.S., Koike T., Li W.L. Ensemble hydrological prediction-based realtime optimization of a multiobjective reservoir during flood season in a semiarid basin with global numerical weather predictions. Water Resources Research. 2012. Vol. 48, N 7. DOI: https://doi.org/10.1002/2017WR021480.

  17. Dysarz T. Control of the reservoirs system during flood: Concept of learning in multi-stage decision process. Technical Report IR-05-031, International Institute for Applied Systems Analysis, Schlossplatz 1 A-2361 Laxenburg, Austria. 2005. 43 p. URL: http://pure.iiasa.ac.at/7804.

  18. Jones P.D., Murphy J.M., Noguer M. Simulation of climate change over Europe using a nested regional – climate model, I: Assessment of control climate, including sensitivity to location of lateral boundaries. Q. J. R. Meteorol. Soc. 1995. N 121. P. 1413–1449.

  19. Murphy J. An evaluation of statistical and dynamical techniques for downscaling of local climate. J. Clim. 1999. Vol. 12, N 8. P. 2256–2284.

  20. Bates B.C., Charles S.P., Hughes J.P. Stochastic downscaling of numerical climate model simulations. Environ. Model. Software. 1998. Vol. 13, Iss. 3–4. P. 325–331.

  21. Prudhomme C., Reynard N.S., Crooks S. Downscaling of GCMs for flood frequency analysis: where are we now? Hydrol. Process. 2002. 16, P. 1137–1150. DOI: https://doi.org/10.1002/hyp.1054.

  22. Prudhomme C., Jakob D., Svensson C. Uncertainty and climate change impact on the flood regime of small UK catchments. J. Hydrol. 2003. Vol. 277, N 1. P. 1–23.

  23. Burger G. Expanded downscaling for generating local weather scenarios. Clim. Res. 1996. Vol. 7. P. 111–128.

  24. Conway D., Jones P.D. The use of weather types and air flow indices for GCM Downscaling. J. Hydrol. 1998. Vol. 212–213, N 1–4. P. 348–361.

  25. Sailor D.J., Hu T., Li X., Rosen J.N. A neural network approach to local downscaling of GCM output for assessing wind power implications of climate change. Renewable Energy. 2000. Vol. 19, Iss. 3. P. 359–378.

  26. Stehlik J., Bardossy A. A multivariate stochastic downscaling model for generating daily precipitation series based on atmospheric circulation. J. Hydrol. 2002. Vol. 256, Iss. 1–2. P. 120–141.

  27. Wilby R.L., Dawson C.W., Barrow E.M. SDSM — A decision support tool for the assessment of regional climate change impacts. Environ. Model. Software. 2002. Vol. 17, Iss. 2. P. 145–157.

  28. Semenov M.A., Barrow E.M. Use of a stochastic weather generator in the development of climate change scenarios. Clim. Change. 1997. Vol. 35, N 4. P. 397–414.

  29. Wilks D.S. Simultaneous stochastic simulation of daily precipitation, temperature and solar radiation at multiple sites in complex terrain. Agric. For. Meteorol. 1999. Vol. 96, Iss. 1–3. P. 85–101.

  30. Goodsell G., Lamb R. Estimating long return period floods by continuous simulation using a stochastic rainfall generator. Report to MAFF, project FD 404. 31 p.

  31. Eagelson P. Dynamics of flood frequency. Water Resources Research. 1972. Vol. 8, Iss. 4. P. 878–898.

  32. Abbott M.B., Bathurst J.C., Cung J.A., O’Connell P.E., Rasmussen J. An introduction to the European Hydrological System-Systeme Hydrologique Europeen SHE 2: Structure of a physically- based, distributed modelling system. J. Hydrol. 1986. Vol. 87, Iss. 1. P. 61–77. DOI: https://doi.org/ 10.1029/WR008i004p00878.

  33. Morris E.M. Forecasting flood flows in grassy and forecasted catchments using a deterministic distributed mathematics model. Hydrological forecasting — PrБvisions hydrologiques (Proc. of the Oxford Symposium, April 1980; Actes du Colloque d’Oxford, avril 1980): IAHS-AISH Publ. 1980. N 129. P. 247–255. URL: http://hydrologie.org/redbooks/a129/iahs_129_0247.pdf.

  34. Edward W.R., Woolhiser D.A., Smith R.E. A distributed kinematic model of upland watershed. Hydrology Paper. Colorado State University. 1977. N 93. 61 p. URL: https://mountainscholar.org /bitstream/handle/10217/61820/HydrologyPapers_n93.pdf?sequence=1.

  35. Ross B.B., Contractor D.N., Shanholtz V.O. A finite element model of overland and channel flow for accessing the hydrologic impact of land use change. J. Hydrol. 1979. Vol. 41, Iss. 1–2. P. 11–30.

  36. Jayawardena A.W., White J.K. A finite element distributed catchment model, I. Analytical basis. J. Hydrol. Vol. 34, Iss. 3–4. P. 269–286.

  37. Laurenson E.M. A catchment storage model for runoff routing. J. Hydrol. 1964. Vol. 2. P. 141–163.

  38. Ibbitt R.P., O’Donnell T. Fitting methods for conceptual catchment models. J. Hydraul. Div. 1971. Vol. 97, Iss. 9. P. 1331–1342.

  39. Diskin M.H., Simpson E.S. A quasi-linear spatial distribution cell model for the surface runoff system. Water Resource Bull. 1978. N 14. P. 903–918.

  40. Diskin M.H., Wyseure G., Feyen J. Application of a cell model to the Bellebeek watershed. Nordic Hydrol. 1984. Vol. 15, Iss. 1. P. 25–38.

  41. Knudsen J., Thomsen A., Refsgaard J.C. WATBAL: A semi-distributed physically based hydrologic modeling system. Nordic Hydrol. 1986. Vol. 17, N 4. P. 347–362.

  42. An European Flood Forecasting System EFFS (2003). EFFS Final Report, Project coordinator: WL | Delft Hydraulics. URL: http://effs.wldelft.nl.

  43. De Roo A.P.J., Gouweleeuw B., Thielen J., Bartholmes J., Bongioanninicerlini P., Todini E., Bares P.D., Horritt M., Hunter N., Beven K., Pappenberger F., Heise E., Rivin G., Hils M., Hollingsworth A., Holst B., Kwadijk J., Reggiani P., Van Dijk M., Sattler K., Sprokkereef E. Development of a European flood forecasting system. Intl. J. River Basin Management. 2003. Vol. 1, N 1. P. 49–59.

  44. Draper A. J., Lund J. R. Optimal hedging and carryover storage value. Journal of Water Resources Planning and Management. 2004. Vol. 130, N 1. P. 83–87.

  45. You J.Y., Cai X. Hedging rule for reservoir operations: 1. A theoretical analysis. Water Resources Research. 2008. Vol. 44, N 1. DOI: https://doi.org/10.1029/2006WR005481.

  46. Booker J.F., O’Neill J.C. Can reservoir storage be uneconomically large? Journal of Water Resources Planning and Management. 2006. Vol. 132, N 6. P. 520–523.

  47. Kiczko A. Multi-criteria decision support system for Siemianowka. Interim Report IR-08-026, International Institute for Applied Systems Analysis, Laxenburg, Austria. 2008.

  48. Buizza R., Hollingsworth A., Lalaurette F., Ghelli A. Probabilistic predictions of precipitation using the ECMWF ensemble prediction system. Weather and Forecasting. 1999. Vol. 14, Iss. 2. P. 168–189.

  49. Romanowicz R., Osuch M. An integrated data based mechanistic lowland catchment model for the Upper Narew. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc. 2008. E-9 (405). URL: http://adsabs. harvard.edu/abs/2009EGUGA..11.9177R.

  50. Junk W.J., Bayley P.B., Sparks R.E. The flood pulse concept in river-floodplain system. Proc. of the International Large River Symposium (LARS). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 1989. Vol. 106. P. 110–127. URL: https://www.nrem.iastate.edu/class/assets/aecl518/Discussion%20 Readings/ Junk_et_al._1989.pdf.

  51. Tockner K., Malard F., Ward J.V. An extension of the flood pulse concept. Hydrological Processes. 2000. Vol. 14, N 16-17. P. 2861–2883.

  52. Kubrak J., Okruszko T., Miroslaw-Swiatek D., Kardel I. Recognition of hydraulic conditions in the Upper Narew river system and their influence on the wetland habitats in the river valley. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc. 2005. (387). P. 209–237.

  53. Okruszko T., Tyszewski S., Puslowska D. Water management in the Upper Narew valley. Zeszyty Problemw Podstawowych Nauk Rolniczych (Pol). 1996. N 428.

  54. IWOR Protection plan of the Narew national park. Technical report, IWOR and IMUZ, Falenty. 2000.

  55. Li Y.P., Huang G.H., Nie S.L., et al. Inexact multistage stochastic integer programming for water resources management under uncertainty. Journal of Environmental Management. 2008. Vol. 88, Iss. 1.P. 93–107.

  56. Numerical techniques for stochastic optimization. Ermoliev Y., Wets R.J-B. (Eds.) Berlin: Springer-Verlag, IIASA. 1988.

  57. Горбачук В.М., Єрмольєв Ю.М., Єрмольєва Т.Ю. Двоетапна модель еколого-економічних рішень. Вісник Одеського національного університету. Економіка. 2016. Т. 21, Вип. 9. С. 142–147.

  58. Rockafellar R.T., Uryasev S. Optimization of Conditional Value-at-Risk. Journal of Risk. 2000. Vol. 2, N 3. P. 21–41.

  59. Ermoliev Y., von Winterfeldt D. Systemic risk and security management. Managing Safety of Heterogeneous Systems. Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems. Ermoliev Y., Makowski M., Marti K. (Eds.). Berlin; Heidelberg: Springer-Verlag, 2012. P. 19–49.

Інформація редакції Аннотації статей Автори Архів
Журнал Тематичні Розділи Редакція Редакційна колегія Приклади документів Передплата Контакти
© 2019 Kibernetika.org. All rights reserved.