Пространственное моделирование и анализ безопасности объектов природно-промышленных комплексов в системе ArcGis

УДК 681.5; 502.55

Н.Ю. Рыженко

Институт информатики и математического моделирования Кольского НЦ РАН,

Кольский филиал ПетрГУ

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ В СИСТЕМЕ ARCGIS

Аннотация

В работе рассматриваются возможности использования системы ARCGIS при моделировании природно-промышленных объектов и анализе их безопасности. Приведены примеры 3D моделирования и определения зон затопления при аварийной ситуации с максимальным ущербом на примере хвостохранилища. Ключевые слова:

безопасность, гидротехнические сооружения, геоинформационные системы.

N.U. Ryzhenko SPATIAL MODELING AND ANALYSIS OF OBJECTS OF NATURAL SAFETY INDUSTRIAL COMPLEX IN ARCGIS

Abstract

The paper looks at the possibilities of ARCGIS modeling natural and industrial objects and analyzing their security. Examples of 3D modeling and identification of areas of flooding in an emergency situation with the maximum damage on the example of the tailings.

Keywords:

safety, waterworks, GIS.

Одной из важнейших характеристик моделирования природнопромышленных комплексов (ППК) является комплекс параметров и показателей последствий возможных аварий. В настоящее время, широко используются математические модели развития аварийных ситуаций без учета рельефа местности. Третья координата, определяющая высоту в каждой точке, опускается и выражается «минимальной шероховатостью поверхности», что, в свою очередь, приводит к неизбежным ошибкам в определении географических размеров возможных последствий. В целях совершенствования в дальнейшем методики определения масштабов развития аварий, что способствует обезопасить не только объекты ППК, но и прилегающие территории, необходимо переосмыслить процесс моделирования вариантов развития чрезвычайных ситуаций, с возможностью отображения результатов в графическом представлении. В качестве примера инструмента для решения поставленной проблематики можно использовать геоинформационную систему ArcGIS. Географические информационные системы (ГИС) - набор программных продуктов, сочетающих в себе функции визуализации географических данных с операциями над атрибутивной информацией об объектах карты, хранящейся в базах данных. Инструментарий современных продуктов в этой сфере позволяет проводить над географическими данными сложные пространственные запросы.

Воспользуемся приложением 3D Analyst из общего пакета ГИС. В качестве его основного функционала служит: получение карт отмывки рельефа,

изолиний, уклона, зон видимости или экспозиции склонов. Данные топографические поверхности дают возможность связать вводимые параметры (источники информации) с рельефом реальной местности и визуально проследить, как модификация элементов поверхностей будут влиять на результирующие данные. Комбинация карт, отражающих рельеф местности, с системой данных в каждой условной (исследуемой) точке, предоставит более реалистичную картину необходимой территории, что в свою очередь позволяет выполнять точный анализ в рамках поставленных задач.

Рассмотрим типовой пространственно-распределенный опасный промышленный объект хвостохранилище АНОФ-2 - это гидротехническое сооружение, предназначенное для складирования отходов апатито-нефелинового производства фабрики и золы Апатитской ТЭЦ. Оно образовано дамбами в части акватории губы Белой озера Имандра. На первом этапе, используя данные спутниковых снимков и технологическое описание объекта, создана таблица атрибутов изолиний, содержащая значения высоты в различных точках хвостохранилища.

Для дальнейшего анализа поверхности необходимо представить данные в виде модели триангуляционных нерегулярных сетей (TIN). TIN-модели используются для представления явлений, имеющих сплошное распространение по территории, таких как рельеф земной поверхности или градиент температуры. Поверхность представлена набором точек (узлов) и соединяющих их граней, образующих сеть смежных треугольников. Другими словами, TIN делит поверхность на смежные, неперекрывающиеся треугольники. TIN можно создать из любой комбинации точечных, линейных и полигональных объектов, что позволяет отображать модель в трехмерном виде [1] (рис.1).

а) б)

Рис. 1. Пример моделирования хвостохранилища АНОФ-2: а) слой TIN модели; б) фото со спутника

Для прорисовки трехмерных моделей используется приложение ArcScene. Оно позволяет просматривать модель под любым углом путем вращения или поворота объектов во View, позволяет управлять увеличением или уменьшением изображения объектов, перемещать и осуществлять пролет над ними (рис. 2).

Рис. 2. 3D - модель хвостохранилища АНОФ-2 с разных ракурсов

Используя возможности инструмента 3D Анализ TIN Polygon Volume, было вычислено для каждой изолинии объем и площадь между этими полигонами. Они позволяют рассчитать объем и площадь всего объекта.

Следующий этап предполагает моделирование развития возможных аварий. При аварии на гидротехнических сооружениях направление растекания техногенного селя определяется топографией местности, наличием русловой сети, канав, озер, болот, а также возвышений и искусственных насыпей. Отказ ограждающей дамбы характеризует максимальную по уровню риска аварию на хвостохранилище [2]. Как известно из анализа аварий, имевших место на объектах-аналогах, процесс разрушения дамбы развивается быстро и имеет наиболее тяжелые последствия.

Анализ топографии прилегающей к хвостохранилищу АНОФ-2 местности и состояния дамб показывает, что при его аварии возможны четыре основные трассы движения потока, в разных направлениях. Рассмотрим случай разрушения дамбы №1, так как последствия данной аварии могут привести к максимальному ущербу. Схема развития этого аварийного процесса представлена для створа 1-1 (рис. 4), т.к. на этом участке дамба №1 отделяет хвостохранилище от озера Имандра и в случае ее прорыва масса хвостов тела намывной дамбы и шлама из отстойного пруда сразу же попадает в озеро Имандра, нанося ему огромный экологический ущерб. Данная авария может привести к человеческим жертвам, материальным потерям и огромному экологическому ущербу. Ущерб от аварии и ликвидация последствий аварии составляет по данным АО “Апатит” несколько миллиардов рублей.

Для определения территории затопления в результате рассматриваемой аварии необходимо указать точку прорыва. Для этого создан шейп-файл с точечным объектом - местом прорыва. Относительно его было вычислено расстояние с взвешенной стоимостью.

Карта расстояния с взвешенной стоимостью отражает в каждой ячейке растра минимальную накопленную стоимость перемещения до ближайшего (наиболее дешевого) источника [3]. Стоимостью может быть время, деньги или заданные значения предпочтения. Функции, создающие карту расстояния с взвешенной стоимостью, вместо вычисления прямого расстояния от одной точки до другой, вычисляют суммарную стоимость прохода через каждую ячейку на пути к ближайшему источнику, на основании длины пути и стоимости прохода (например, легче идти по полю, чем по болоту). В нашем случае стоимостью прохода являлась карта высот местности, так как при аварии под затопление попадают территории с низкими высотами. Для получения растра -GRID-файла (представление реальных поверхностей в виде равных квадратных

ячеек, организованных по строкам и столбцам; для каждой ячейки грида известно ее географическое местоположение) - был создан ТШ-файл объединяющий данные высот местности и рельефа хвостохранилища (рис. 3).

а) б)

Рис. 3. TIN (а) и GRID (б) высот местности и рельефа хвостохранилища

Полученный растровый слой был подвержен переклассификации. Растру присваиваются новые значения - значения предпочтительности, чувствительности. То есть все значения были поделены на 10 равных частей. Тем значениям, которые ближе всего располагаются к месту аварии, дано значение 10, самым дальним 1 (рис. 4).

Рис. 4. Карта расстояния с взвешенной стоимостью

Так как складируемое вещество потечет по территории с наименьшей высотой, то нам потребовалась и карта с переклассификацией значений высот в значения предпочтительности. Данные грида высот были также поделены на 10 равных частей. Точкам с наименьшим значением присвоено значение 10, а с наибольшим - значение 1.

С помощью инструмента ArcGis - калькулятор растра, были объединены полученные карты - карта расстояния с взвешенной стоимостью и карта высот. В результате получен растровый слой, который показывает зону вероятного затопления территории при аварии на дамбе №1 хвостохранилища - АНОФ - 2. На рис. 5 он отмечен темным цветом.

Рис. 5. Зона возможного затопления при аварии на дамбе №1 в створе 1-1

Таким образом, использование ArcGis при анализе безопасности объектов природно-промышленных комплексов дает возможность применения к данным ГИС пространственных операторов для получения новой информации. Эти инструменты представляют основу для пространственного моделирования и геообработки. Три основных типа данных ГИС - растровый, векторный и TIN, позволяют легко получить новую информацию, определить пространственные отношения, а инструменты ArcGis, такие как Spatial Analisys, 3D Analisys, позволяют провести пространственный анализ, построить 3D модели.

ЛИТЕРАТУРА

1. Визуализация рельефа и создание 3D моделей местности в ArcGIS.

- Режим доступа: http://gis-lab.info/qa/3dviz-ag.html

2. Рыженко, Н.Ю. Анализ безопасности хвостохранилища / Н.Ю. Рыженко, С.Ю. Яковлев, Н.В. Исакевич / Управление безопасностью природно-промышленных систем: сборник научных трудов. - Апатиты: КНЦ РАН, 2008.

- Вып. VII. - С.87-92.

3. ArcGIS Desktop Tutorials. - Режим доступа: http://webhelp.esri.com/arcgisdesktop/9.2/index.cfm?TopicName=Tutorials

Сведения об авторе

Рыженко Наталья Юрьевна - к.т.н., младший научный сотрудник,

е-mail: nryzhenko @iimm. kolasc.net.ru

Nataly U. Ryzhenko - Ph.D. (Tech. Sci.), junior researcher

1S5