Ситуационно-оптимизационная модель определения опасностей для застроенных территорий

УДК 614.8: 699.8

Е.В. Арефьева, А.В. Рыбаков, А.И. Зиганшин

СИТУАЦИОННО-ОПТИМИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПАСНОСТЕЙ ДЛЯ ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Разработанная ситуационно-оптимизационная модель застроенной территории позволяет не только оценивать текущее и прогнозное превышение критических значений уровней грунтовых вод для различных объектов, но и прогнозировать активизацию наведённых опасностей, оценивать эффективность принимаемых решений, направленных на регулирование режима грунтовых вод, ранжировать объекты по их состоянию при фактическом и потенциальном подтоплении для оптимизации распределения затрат на предупреждение чрезвычайных ситуаций.

Ключевые слова: подтопление, уровень грунтовых вод, прогнозирование.

E. Arefeva, A. Rybakov, A. Ziganshin

SITUATIONAL AND OPTIMISATION MODEL FOR DETERMINATION THE DANGER OF THE BUILT UP AREAS

The article suggests permanent situational and optimization model of the built up areas. It allows one to estimate the values of the exceeding of subsoil waters critical meaning level for different object both for the current and future situations. Moreover it can predict damage activation and estimate the efficiency of decisions for subsoil waters regulation and rank objects according to their state in case of present or future underflooding for costs optimization for prevention from emergency situation.

Keywords: underflooding, water level, prediction.

Одним из существенных факторов, влияющих на формирование природных опасностей в городах, является подтопление, поскольку подземная гидросфера застроенной территории представляет собой наиболее динамичную часть среды. Изменение режима грунтовых вод, колебания уровней могут приводить к возникновению опасных процессов, таких как оползневые, карстовые, суффозионные, а также способствовать снижению прочностных и деформационных свойств грунтов оснований сооружений, что может приводить и приводит к различным авариям и чрезвычайным ситуациям. Учитывая структурную неоднородность, значительную изменчивость свойств и состава грунтов застроенной территории необходимо постоянно отслеживать и корректировать параметры природной и технической подсистем территории, своевременно выполнять и корректировать прогнозные расчёты формирования опасностей [1]. Для выполнения прогнозных оценок природных опасностей, возникающих на застроенной территории, необходимо применить математическое и компьютерное моделирование.

Разработанная постоянно действующая ситуационно-оптимизационная модель (ПДСОМ) застроенной территории позволяет не только оценивать превышение критических значений уровней грунтовых вод для различных объектов (как для текущей, так и для прогнозной ситуации), но и прогнозировать активизацию наведённых опасностей, оценивать эффективность принимаемых управленческих решений, направленных на регулирование режима грунтовых вод, ранжировать объекты по их состоянию при фактическом и потенциальном подтоплении для оптимизации распределения затрат на предупреждение ЧС. Предлагается рассматривать следующие модули-процессоры подсистемы поддержки принятия решений (ППР): информационный (данные мониторинга и вся имеющаяся информация об объекте защиты и объекте управления), оптимизационный (выработка оптимальных решений, направленных на снижение факторов ЧС), диалоговый (выбор оптимального варианта решения, направленного на предупреждение опасности) (рис. 1).

ПДСОМ является тем инструментом, который позволяет в имитационном режиме оценить: потенциальную и фактическую подтопляемость объектов техносферы; достижение и превышение критического уровня грунтовых вод (УГВ) при развитии подтопления для различных объектов; возможность возникновения наведённых процессов; работу существующих и проектируемых дренажных систем; степень снижения УГВ; степень затопления территории при наводнениях, паводках и разрушениях гидротехнических сооружений; влияние управляющих воздействий (УВ) на природную и техногенную среду [2].

Рис. 1. Схема взаимосвязей элементов в системе поддержки принятия решений, направленных на предупреждение чрезвычайных ситуаций при подтоплении

Исходными данными для ПДСОМ является информация по природным и техногенным условиям застроенной территории: инженерно-геологические условия, фильтрационные и прочностные свойства пород, наличие водоупоров, зоны питания и разгрузки, граничных условий, наличие гидравлической связи с поверхностными водами; карты потенциально возможных опасных процессов на данной территории (оползневые, карстовые, просадочные и др.). Исходные данные по техногенным условиям, которые характеризуются особенностями застройки и функциональным назначением территории отличаются по водопотреблению и потерям воды из водонесущих коммуникаций (промышленные зоны, селитебные, лесопарковые зоны); учитываются плотины, водохранилища, реки, каналы. Одним из целевых назначений ПДСОМ является определение фактического и прогнозного показателя подтопленности объекта техносферы и застроенной территории в целом. Для определения показателя потенциальной подтопленности объекта требуется рассчитать прогнозное положение уровня грунтовых вод (УГВ) в результате действия источников подтопле-

32 -

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

ния (подпор от водоёма, постоянные и аварийные утечки и т. д.). Для расчёта прогнозного положения УГВ разработан авторский программно-вычислительный комплекс, основой которого является математическое моделирование процесса геофильтрации. На ПДСОМ осуществляется также прогноз развития наведённых подтоплением опасных процессов. Карты районирования застроенной территории по потенциальной природной опасности отображаются на карту потенциального и фактического подтопления, что позволяет спрогнозировать и оценить их активизацию при повышении уровня грунтовых вод. Процессуальная схема решаемых задач на ПДСОМ представлена на рис. 2.

Рис. 2. Процессуальная схема решаемых задач на ПДСОМ для выполнения оценочных прогнозов подтопления и наведённых опасных природных процессов

Процесс подтопления описывается математической моделью, представляющей уравнение геофильтрации для описания нестационарной плановой фильтрации (уравнение Буссинеска) с соответствующими краевыми условиями [5].

- 33

Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2012'1

Такие уравнения не имеют аналитического решения, поэтому применяется численное моделирование. Используются явные или неявные разностные схемы, например схема Дюфорта-Франкела и метод переменных направлений. На область фильтрации накладывается сетка, а исходные данные, необходимые для расчётов «заносятся» в каждую ячейку сетки. В ПДСОМ впервые реализован оригинальный ввод исходной информации, который позволяет учитывать всю архивную, фондовую информацию о инженерно-геологических и гидрогеологических условиях застроенной территории, заданную на бумажных носителях.

Ввод данных включает послойное графическое задание расчётных параметров (в виде карт соответствующих изолиний), граничных условий, критических и начальных уровней грунтовых вод, рельефа местности, что позволяет перевести их в монохроматический формат, в котором числовые значения параметров соответствуют оттенкам выбранного цвета, что позволяет программному комплексу воспринимать данный формат как числовые данные, непрерывно распределённые в исследуемой области.

Изменение интенсивности оттенка выбранного цвета соответствует изменению числовых значений параметров исходных данных. Вводимые данные могут быть одновременно представлены тремя форматами: в табличном, числовом задании (в каждой ячейке); в графическом в моноцветовом изображении (рис. 3). Использование такого ввода данных позволяет разбивать область фильтрации на любое количество ячеек, ограничиваемое памятью компьютера, значительно упрощая и сокращая по времени ввод данных, повышая точность расчётов.

На ПДСОМ определяется также показатель подтопленности объекта и территории - это отношение подтопленной площади (5;) ко всей площади (5) (текущее состояние, в имитационном режиме в результате действия дренажных систем и с учётом техногенных воздействий). Основным критерием подтопленности объекта и территории считается соотношение критического уровня грунтовых вод (Нкр) и фактического (Н0). Для подтопленных территорий справедливо соотношение: Н0 > Нкр (уровни в данных соотношениях измеряются от уровня моря). Для расчёта потенциального подтопления используется также критерий потенциальной подтопленности (Дзекцер, 1986 г.) [4]. Введённые критические уровни грунтовых вод для объектов и территории в автоматическом режиме на ПДСОМ позволяют определять площадь, поражённую действием подтопления и оценивать влияние подтопления на развитие наведённых процессов [1]. Показатель состояния объектов при подтоплении является основанием для ранжирования территории и объектов техносферы по организации предупредительных и защитных мероприятий [1]. Зная прогноз развития подтопления, как потенциального фактора ЧС, определив примерный ущерб объекту и территории при реализации факторов ЧС, определяется векторный RS-показатель объектов и территории для ранжирования объектов и районов города по очерёдности выполнения предупредительных и защитных мероприятий с целью предупреждения ЧС.

В качестве примера применения разработанной ПДСОМ рассмотрим прогноз затопления и подтопления территории в одном из городов Московской области, где расположена небольшая плотина на реке. На ПДСОМ можно рассчитать зону подтопления территории, а также рассчитав по стандартным методикам основные параметры волны прорыва, подъём воды в реке и получить картину затопления территории (рельеф местности задан картографически в ПДСОМ).

Рис. 3. Пример перевода данных с архивных карт (а) в электронный цветовой диапазон (б) и их численные

значения в рассматриваемой области

Исходные данные для расчёта волны прорыва: полный объём водохранилища - 300-106 м3; площадь поверхности зеркала водохранилища - 143,4 км2; длина плотины - В№ = 21 м;

коэффициент шероховатости водотока - п = 0,067; Нумр - глубина воды перед ГТС до прорыва; Ь - средняя глубина реки на 1-м участке; Ь№ - ширина бреши;

J1 - средний уклон реки на первом участке. Jl = 0,0027.

В табл. 1 приведён расчёт волны прорыва по методике [6].

Таблица 1

Результаты расчётов параметров волны прорыва и площади затопления территории

Параметры волны прорыва и площадь затопления территории Результаты расчётов

Ширина бреши по урезу воды при УМР - Ьумр , м 21

Высота волны в нулевом створе Н0, м 3,886

Высота волны прорыва в нулевом створе Нво, м 2,886

Время опорожнения водохранилища Т0, мин 7

Скорость гребня волны прорыва между нулевым и первым створами Сгр1, км/ч 4,2

Время добегания гребня волны до первого створа Ць мин 16,5

Высота волны прорыва в первом створе НВ1, м 0,44

Высота волны в первом створе Н1, м 1,64

Скорость фронта волны прорыва между нулевым и первым створами Сфр, км/ч 10,3

Время добегания фронта волны до первого створа 1фр1, мин 6,7

Скорость хвоста волны прорыва между нулевым и первым створами Схв1, км/ч 2,1

Время добегания хвоста волны прорыва от нулевого до первого створа ^1, мин 33,1

Время, за которое хвост волны прорыва пройдёт первый створ Тхв1, мин 40,1

Площадь затопления территории 8, м2 42000

На рис. 4 приведена оцифрованная карта уровней грунтовых вод участка территории, включающей плотину, используемая для прогнозных расчётов. На рис. 5 - 6 показано 3Э-модели-рование рельефа местности и реки в 3Э-формате для прогноза затопления территории в случае аварийного разрушения плотины, сопровождающегося подъёмом уровня воды за телом плотины на 2 м, а перед плотиной опускание уровня на 0,5 м.

Рис. 4. Введение исходной информации с помощью специального программного комплекса в ПДСОМ[7]

Рис. 5. Моделирование рельефа местности и реки в 3D-формате для прогноза затопления территории в случае аварийного разрушения плотины

Рис. 6. Моделирование рельефа местности и реки в 3D-формате для прогноза затопления территории в случае аварийного разрушения плотины, сопровождающегося подъёмом уровня воды за телом плотины на 2 м, а перед плотиной опускание уровня на 0,5 м

В отличие от существующих моделей подтопления и затопления территории, разработанный комплекс позволяет в едином итерационном процессе определять превышение критического уровня грунтовых вод для различных объектов, учитывать различные ограничения на выработку управляющих воздействий, учитывать и вводить всю архивную и фондовую информацию, прогнозировать наведённые подтоплением процессы и прогнозировать зону затопления территории при подъёме уровня воды в водоёме. Разработанный комплекс имеет возможность расширения, достраивания, позволяет вводить дополнительные ограничения экономического, экологического или технологического характера, поскольку построен по блочному принципу.

Представляется целесообразным включить ПДСОМ в систему предупреждения чрезвычайных ситуаций конкретной территории, в частности, в её подсистему поддержки принятия решений.

Литература

1. Арефьева Е.В., Мухин В.И. Оценка территориальной безопасности при подтоплении. - М.: АПГС МЧС России, 2008. - 101 с.

2. Арефьева Е.В. Регулирование режима грунтовых вод при подтоплении объектов и застроенных территорий // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 11. - С. 47 - 48.

3. Гавич И.К. Теория и практика применения моделирования в гидрогеологии. - М.: Недра, 1980. - 358 с.

4. Дзекцер Е.С. Инженерная защита застраиваемых территорий от подтопления // Проектирование и инженерные изыскания. - 1986. - № 5. - С.27 - 29.

5. Арефьева Е.В. Подтопление объектов и застроенных территорий как потенциальный источник чрезвычайных ситуаций // Промышленное и гражданское строительство. - 2007. - № 10. - С. 33 - 34.

6. Методика расчёта по определению параметров волны прорыва и зон затопления. Приказ Минприроды РФ от 15.12.2009 № 412.

7. Арефьева Е.В., Зиганшин А.И. Прогнозирование природных опасностей застроенной территории при подтоплении с использованием постоянно действующей ситуационно-оптимизационной модели // Тр. Междунар. заочн. научно-практ. конф. «Проблемы устойчивости и безопасности жизненного пространства человека», 26 - 27 марта 2011 г. - Москва.