Гидродинамические аварии и их моделирование

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ АВАРИИ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

А.А. Василенко,

ФГБОУ «Камчатский государственный технический университет»,

г. Петропавловск-Камчатский

Гидродинамические аварии как источник чрезвычайных ситуаций

В существующем в литературе определении гидродинамической аварии (ГДА) как чрезвычайной ситуации (ЧС), на взгляд автора, причина заменяется следствием. Следствием нарушения нормального функционирования гидротехнического сооружения (ГТС) является возникновение поражающих факторов: разрушительная волна прорыва, водный поток, а затем - спокойные воды, которые затапливают и подтапливают территорию объекта и ближайшей суши. Но ЧС возникает как следствие ГДА, если она привела к гибели людей и экономическому ущербу по масштабной классификации ЧС.

В последнее столетие в мире произошло более 1 тыс. случаев разрушения ГТС, причинами которых в числе метеорологических явлений были и факторы геологического и геофизического характера.

Так, плотина Сент-Франсис в Калифорнии навсегда вошла в исторические аналоги инженерной геологии как трагический пример человеческой беспечности. Она была построена в 70 км от Лос-Анджелеса в каньоне Сан-Франциско с целью накопления воды для последующего ее распределения по водопроводу Лос-Анджелеса. Замеченное просачивание воды через плотину необходимых мер не вызвало, и, естественно, она прорвалась через толщу грунта, и под ее напором плотина рухнула. Под стеной волны в 40 м свидетелей катастроф в живых не осталось. Все живое, все постройки были уничтожены. Позади волны долина была затоплена на 80 км. Во время этого наводнения погибло более 600 человек. Обрушение плотины Сент-Франсис в марте 1928 года стало примером того, как не надо строить ГТС.

Второй пример в Италии, в 1963 г. В водохранилище Вайонт обрушился горный массив, в результате ~ 25 млн. т. воды перелились через плотину, создав в долине р. Пьяве волны высотой 70 м. Было уничтожено 4 поселка, погибло 4400 человек.

На территории России в настоящее время эксплуатируется более 30 тыс. водохранилищ, из которых около 3 тыс. вместимостью более 1 млн. м3 и ~ 60 - 1 млрд. м3. Разрушение таких объектов несет огромный риск для людей, т.к. может привести к катастрофическому затоплению местности, населенных пунктов, гибели большого количества людей, экологическим непосредственным и отдалённым последствиям.

Катастрофы на реках России:

прорыв плотины Киселевского водохранилища на р. Какве и сильное наводнение в г. Серове (Свердловская область) в июне 1993 г. (пострадали 6,5 тыс. чел., 12 погибли, общий ущерб - 63,3 млрд руб.);

разрушение плотины Тирлянского водохранилища в 1994 г. (Башкортостан) на притоке р. Белой (погибло порядка 100 чел., суммарный ущерб 52,3 млрд. руб.);

наводнение в Приморье (сентябрь 1994 г.) и в Якутии (1999 г. и 2001 г.);

наводнение в Краснодарском крае (июль 2002 г.) привело к разрушению его гидроузла, унесло жизни 114 тыс. чел. и причинило материальный ущерб на сумму в 15 млрд. руб.

Другим примером является резкий (аварийный) сброс воды на Павловской ГЭС, который вызвал гидравлический удар, спровоцировавший землетрясение мощностью 3-4 балла. Гидротехнические сооружения этой ГЭС были построены без учета сейсмостойкости.

Сейсмические эффекты были вызваны и при заполнении, например, водохранилища Зейской ГЭС, а катастрофы затопления и подтопления ниже по течению р. Амура - от её аварийных сбросов.

Авария на Саяно-Шушенской ГЭС - техногенная катастрофа, произошедшая 17 августа 2009 года. В результате аварии погибло 75 человек, оборудованию и помещениям станции нанесён серьёзный ущерб. Ростехнадзор непосредственной причиной аварии назвал разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, что привело к её срыву и затоплению машинного зала станции. Последствия аварии отразились на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на социальной и экономической сферах региона и всей страны.

На территории Украины возможны катастрофические затопления при разрушении плотин, дамб, водопропускных сооружений на 12 гидроузлах и 16 водохранилищах рек Днепр, Днестр, Северский Донец, Южный Буг. Площадь затопления может составить 8294 км2. В зону затопления попадают 536 населенных пунктов и 470 промышленных объектов.

Проблемам мониторинга безопасности ГТС в Воронежской области посвящена работа [1]. Попытки исследования этих проблем в России и на Украине были сделаны автором в работах [2-4].

Одним из прямых и отдалённых последствий ГДА, превращающих её в синергетическую ЧС, являются опасные эффекты подтопления (например, [5]).

Моделирование ГДА

Моделирование можно рассматривать как замещение исследуемой системы (процесса, события, явления, реально действующего объекта) её условным информационным образом, феноменологическим описанием, объектом подобия или другой системой, именуемой моделью и обеспечивающей близкое к оригиналу поведение, демонстрацию функций моделируемой системы в рамках некоторых допущений и приемлемых погрешностей, определяемых поставленной задачей и наличными ресурсами. Моделирование оправдано, когда оно проще и безопаснее создания самого оригинала или когда последний почему-то лучше вообще не создавать.

Математическое моделирование принято рассматривать как средство лёгкого и дешёвого исследования объектов, процессов, событий или явлений с помощью описания их математической моделью, в виде совокупности математических соотношений, которое обеспечивает имитацию работы системы на уровне, достаточно близком к её реальному поведению. Любая математическая модель описывает реальный объект, процесс, событие или явление с некоторой степенью приближения к действительности. Вид математической модели зависит как от природы реального объекта, так и от задач исследования и наличных ресурсов.

Математическое моделирование для исследования характеристик систем и сами модели можно разделить на аналитические и имитационные.

В аналитических моделях поведение сложных систем записывается в виде некоторых функциональных соотношений или логических условий. При их построении используется распространённый математический аппарат: алгебра, функциональный анализ, дифференциальные уравнения, теория вероятностей, математическая статистика и т.д. В какой бы форме они сформулированы не были, это всегда задачи типа Коши с необходимостью задания граничных (начальных и конечных) условий. Поэтому для сложных систем аналитическая модель не всегда адекватна, и часто становится лишь грубым приближением к действительности. В этом случае необходимо использовать имитационное моделирование.

В имитационной модели поведение компонент сложной системы описывается набором алгоритмов, которые затем реализуют ситуации, возникающие в реальной системе. Имитационное моделирование - это динамическое отображение изменений состояния системы во времени с помощью вычислительной техники.

В гидродинамике иногда применяется физическое моделирование ГТС и их фрагментов, однако, в случае, когда объектом исследования являются ГДА, воссоздание систем подобных реальным ГТС, а также их преднамеренное разрушение с целью воспроизведения последствий ГДА, соизмеримо по стоимости с оригиналами ГТС. Поэтому математическое моделирование является самым рациональным способом исследования ГДА.

Для создания имитационной модели необходим информационный образ моделируемого объекта.

На рис. 1 приведена упрощённая имитационная схема ГДА как информационный базис для имитационного типа моделирования.

Плотика Скорость волны прорыва для равнин

Рис. 1. Имитационная схема типовой ГДА

Конкретные инструменты моделирования ГДА и их анализ

Пионером в области построения компьютерных моделей ГДА является Научно-исследовательский институт энергетических систем (НИИЭС), которой накоплен богатый опыт гидротехнических исследований, воплотившийся в ряде методик прогнозирования последствий ГДА. Разработчиками моделей динамики открытых потоков, получившими развитие в отечественных программных продуктах, являются С.Я. Школьников, Б.Л. Историк, В.В. Беликов

Программа "SV_1", разработанная Школьниковым С.Я. основана на использовании одномерных и двумерных (в зависимости от решаемой задачи) уравнений Сен-Венана для русел непризматической формы. Программа адаптирована для течений в руслах сложной формы. Подходы, реализованные автором программы, были использованы при разработке более поздних методик, дающих возможность определять параметры волны прорыва без ЭВМ.

Комплекс программ "БОР", разработанный под руководством В.В. Беликова, предназначен для расчета течений в реках и речных долинах, вызванных разрушением напорного фронта плотин. Программа также базируется на решении одномерных и двумерных уравнений Сен-Венана. Программный комплекс работает во взаимодействии с картографическим редактором, лоцманскими картами, данными гидролокатора или эхолота, а также GPS. Результаты расчётов отображаются визуально и сохраняются в виде слоев электронной карты (зона затопления, населенные пункты, дороги, объекты экономики и т.д.), что позволяет оценить возможные последствия прохождения волны прорыва.

И всё же более известной работой в данной области считается «Методика оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов» [6], разработанная научным коллективом ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) в 1999 г., и программа "Волна", созданная в 2001 г. на её основе в Военно-инженерном университете.

Разработанная методика предназначена для "оперативного прогнозирования инженерных последствий прорыва гидроузлов, сопровождающихся образованием

волны прорыва" [6]. Методика действует на территории государств СНГ в силу её максимальной простоты и доступности. На территории России методика распространяется абсолютно свободно, вошла в признанные литературные источники, а также рекомендована органам управления, уполномоченным на решение задач в области защиты населения и территорий от ЧС.

Программа "Волна" предназначена для "прогнозирования масштабов затопления местности и характеристик волны прорыва при разрушении гидроузлов". Её использование позволяет определить параметры затопления местности: максимальные глубину и ширину затопления, скорость течения, время прихода фронта, гребня и хвоста волны прорыва, максимальный расход воды в створе, высоту волны и максимальную отметку затопления. Полученные данные можно сохранить в файле отчета в формате Microsoft Word. На основе результатов расчёта и параметров реки зона затопления и положение створов наносятся на карту участка местности, которую можно сохранить в формате BMP.

К несомненным достоинствам программы "Волна" относятся доступность ("Волна" является программным модулем "Студии анализа риска" и используется в работе Автоматизированной информационно-управляющей системы (АИУС) Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС)); приемлемые системные требования (набор характеристик компьютера, необходимых для запуска и работы определённого программного продукта); простота (ввод и редактирование данных не требует специальных знаний); наличие детально проработанной инструкции по применению; наглядность отображения результатов расчёта и возможность их сохранения в текстовом и графическом виде; широкий диапазон входных параметров (в том числе, возможность проводить расчёты для десяти створов); возможность применения при наличии подпора в нижнем бьефе от расположенной ниже плотины, что делает возможным использовать в случае каскадного расположения гидроузлов.

Кроме рассмотренных моделей ГДА и имитационных инструментов прогнозирования их последствий, известным является подход учёных Института географии РАН, основанный на использовании естественных экстремальных половодий и паводков в качестве аналогов.

Наиболее известным зарубежным программным комплексом, позволяющим создавать математические модели прорыва напорного фронта гидроузлов, является линейка программных продуктов Mike by DHI, разработанная компанией DHI: Water.Environment.Health. Этот программный комплекс имеет широкий диапазон применения и позволяет создавать имитационные компьютерные модели гидродинамических процессов. Кроме того, с помощью комплекса воспроизводятся графики хода уровней воды, профили земной и водной поверхности, воссоздаётся статистическая информация формирования зон затопления.

Основной особенностью линейки программных продуктов Mike by DHI является ее модульная структура, которая включает в себя следующие основные (базовые) модули: гидрологический (NAM); гидродинамический (HD),

включающий модуль расчета прорыва плотины (DB); адвекции-дисперсии и транспорта связных наносов (AD); качества воды (WQ); морфологии и транспорта несвязных наносов (NST).

И самым последним современным программно-аппаратурным комплексом по моделированию ГДА является Модуль «Вычислительная гидродинамика» на платформе COMSOL Multiphysics.

Выводы

В настоящей работе автором напомнены наиболее катастрофические ГДА, приведшие к ЧС большого масштаба, на основании анализа существующих имитационных инструментов прогнозирования последствий ГДА делается вывод о рациональности применения тех или иных программных инструментов, разработанных на основе аналитических моделей для прогнозирования последствий возможных гидродинамических аварий.

Проведённый анализ позволяет сделать следующие выводы:

рациональным способом прогнозирования последствий возможных ГДА является применение существующих имитационных программных инструментов на основе аналитических моделей;

учитывая значительную сложность, существенную стоимость, высокие системные требования, а также ряд принципиальных недостатков и ограничений большинства существующих методик и программных продуктов, для прогнозирования последствий возможных ГДА следует использовать «Методику ВНИИ ГОЧС» и разработанную на её основе программу "Волна".

Список использованной литературы

1. Арифуллин, Е.З. Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений по Воронежской области [Текст] / Е.З. Арифуллин, В.И. Федянин / Материалы МНПК «Актуальные проблемы обеспечения безопасности в биосфере и техносфере». Воронежский институт высоких технологий. - Воронеж: «Научная книга». - 2008. - С. 15-19.

2. Арефьева, Е.В. Подтопление как потенциальный источник ЧС // В.И. Мухин, Э.Г. Мирмович // Технология гражданской безопасности. Научно-технический журнал. - М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2007, № 4(14). - С. 69-74.

3. Василенко, А.А. Проблемно-хронологический анализ создания и эксплуатации Днепровской гидроэлектростанции (научная статья) // Вестник Камчатского государственного технического университета // Научный журнал. -Петропавловск-Камчатский: ФГБОУ ВПО КГТУ, 2013, № 23. - С. 38-44.

4. Василенко, А.А. Анализ факторов, влияющих на устойчивость функционирования Днепровской ГЭС им. В.И. Ленина (научная статья) Гуманитарный вестник // Научный журнал. - Балашиха: Военно-технический университет Министерства Обороны РФ, 2013, №1 (24). - С. 102-109.

5. Василенко, А.А. Опыт решения инженерных и военных задач в ходе строительства и эксплуатации Днепровской ГЭС / А.А. Живов, Е.Е. Пономарёва.

Науковий дiалог «Схщ-Захщ»: Матерiали Всеукрашсько! науково! конференцii з мiжнародною участю (м. Кам'янець-Подшьський, 10 липня 2013 р.): у 4-х частинах. - Д.: ТОВ «1нноващя», 2013. - ч. 2. - С. 158-166.

6. Программа "Волна" [Текст]. Инструкция пользователя. - М.: ООО НПП "Титан-Оптима", 2006 г. - 80 с.