Аварии. Причины гидродинамических аварий и меры по их предотвращению
 Скачать 36.45 Kb.
|
|
Причины гидродинамических аварий и меры по их предотвращению Вокруг человека на протяжении всей жизни существовали неблагоприятные факторы среды обитания. Изначально стихийные бедствия были частью естественной природной среды, но по мере использования новых технологий, производств, роста вероятности ошибок в управлении, допущенных человеком, в целом с увеличением антропогенного влияния человека на природу, опасные явления стали активизироваться самим человеком. Всё это приводит к природным и техногенным чрезвычайным ситуациям (далее – ЧС), которое сопровождаются гибелью людей, материальным и моральным ущербом, нарушением условий жизнедеятельности [1]. Гидротехнические сооружения (далее – ГТС) играют важную роль в жизни человека - управление водными ресурсами, обеспечение питьевой, промышленной и сельскохозяйственной водой, гидроэлектроэнергией, контроль и управление паводками, управление экологическим стоком, пополнение уровня грунтовых вод, рыболовство [2]. Но такие крупные экологические уязвимые объекты несут большой риск аварий и катастроф. ГТС позиционируют себя, как устойчивые и надежные, но как показывает практика гидродинамические аварии наблюдаются во многих развитых и развивающихся странах [3]. Они являются огромной угрозой для территорий вниз по течению реки. C возрастом плотин их материалы разрушаются, и они могут стать менее функциональными и надежными. Возникновение прорыва плотины может привести к затоплению населенных пунктов и нарушению условий жизнедеятельности [4]. Данная тема является актуальной, так как количество гидродинамических аварий увеличивается, а последствия катастроф разрушительны и серьезны. Основной проблемой является увеличение количества техногенных катастроф на ГТС. Под гипотезой разрешения проблемы будем рассматривать возможность разработки рекомендательных мер и мероприятий в мониторинге и прогнозирование ЧС на ГТС, что приведет к увеличению безопасности и уменьшению техногенных катастроф на ГТС. Для того, чтобы проанализировать необходимую информацию, был произведен поиск литературы. Критерии отбора источников включал научные статьи, в которых были описаны методики прогнозирования аварий на ГТС. Для этого были задействованы ключевые слова: «гидродинамическая авария», «прорыв плотины», «гидроэлектростанция», «карта наводнений». Также был включен государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2018 году» [1]. Общая тенденция в анализируемых работах прослеживается как приведение риска к безопасному путем внедрения методик. Важным фактором надежности работы системы является заблаговременное предупреждение о ЧС путем наблюдения, прогнозирования и выполнения предупреждающих мероприятий [5]. Одним из опасных аварий по своим последствиям является прохождение через ГТС выше допустимой нормы расходов воды и заниженных размерах водосбросных сооружений. Причиной перелива воды через гребень плотины может быть и отказ затворов водосбросных сооружений, и отсутствие профилактики, проверки на надежность эксплуатации, а также из-за прекращения подачи электроэнергии. Также одной из причин возникновения гидродинамических аварий является несоблюдение правил эксплуатации персоналом [6]. Увеличение сброса воды из водохранилища приводит к затоплению. Затопление угрожает не только непосредственно населению, но также разрушает объекты инфраструктуры, изменяет природную систему, уничтожает сельскохозяйственные земли [7]. Для ГТС наиболее опасны наводнения, вызванные интенсивным таянием снежного покрова, что является причиной подъема уровня воды на реках. А если такое наводнение будет комбинироваться с весенними дождями и обильными предзимним увлажнением, то последствия могут нести огромный ущерб не только обществу, но и окружающей среде. Наводнения нельзя полностью предотвратить, но можно ослабить путем своевременного предупреждения [8]. Для того, чтобы предупредить и предотвратить катастрофы, необходимо организовать службу мониторинга и прогнозирования за опасными явлениями и состоянием гидроузлов, прогнозировать факторы риска, соблюдать нормы безопасности, разрабатывать системы мер по предупреждению и оповещению населения об авариях, разрабатывать сценарии аварий [9]. Один из способов прогнозирования ЧС является имитация прорыва плотины по различным сценариям аварий. Чтобы свести к минимуму потери и ущерб, необходимо разработать систему раненного предупреждения с учетом времени эвакуации каждого поселения. Гидравлические расчеты должны включать высоту гребня волны прорыва, скорость волны прорыва, отметку уровня воды, время прохождения волны через участки возможных зон затопления [10]. Выявление зон риска наводнений являются первичными шагами в разработке стратегий предотвращения ЧС. Она включает глубину, длительность, подготовку карт опасностей, эвакуацию, систему раннего предупреждения и реагирования [11]. Также важна надежная и полная информация о плотинах. Дистанционное зондирование позволяет проводить крупномасштабные наблюдения поверхности суши с различным пространственным разрешением. Спутниковые снимки используются для определения изменений ландшафта, гидрологических и экологических изменений, и геологических деформаций [10]. Традиционные подходы к моделированию, используемые для картирования зон опасности прорыва плотины, как правило, трудоемкие и дорогие, не только с точки зрения затрат и требуемых технических навыков, но они вычислительно трудные из-за значительного количества требуемых данных и параметров. Поэтому логично внедрение искусственного интеллекта. Инструмент реализован в форме географической информационной системы (ГИС) [12]. Многие эксперты и ученые провели множество исследований по оценке рисков и раннему предупреждению [13]. Например, Р.Албано и соавторы изучали вопросы улучшения анализа риска наводнений для эффективного управления рисками [14]. Я.Кулс и соавторы изучали системы раннего оповещения о наводнениях [15]. С.Деллин и соавторы рассчитали процесс разрушения плотины путем численного моделирования [16]. Таким образом, на сегодняшний день проблема полностью не решена, как было сказано выше - разрабатываются новые методы мониторинга и прогнозирования, но количество гидродинамических аварий увеличивается. Поэтому целью данной работы является разработка рекомендательных мер и мероприятий мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Объектом исследования являются гидротехнические сооружения. Предмет исследования – меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Методы и материалы В данной работе рассматривается проблема увеличения количества техногенных катастроф на ГТС. Для того, чтобы добиться конечной цели, необходимо предпринять совокупность рациональных действий. Первый научный метод, который был использован, это метод изучения литературных источников, доказательств и результатов деятельности в исследуемой области, тем самым была изучена актуальная информация на сегодняшний день. В данном методе использовались научные статьи, а также государственный доклад МЧС России. Затем при помощи метода анализа были выявлены возможные причины гидродинамических аварий, важность и серьезность этих аварий, меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Затем методом сравнения была составлена матрица качественного ранжирования сценариев аварий, возможных на ГТС по уровню риска. Следующим этапом с помощью метода конкретизации была описан сценарий возможной аварии и повреждений на ГТС Зейской ГЭС в результате воздействия источника опасности. Далее на основе этого сценария были описаны существующие меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования на Зейской ГЭС. Затем с помощью метода обобщения были определены меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Заключительным этапом являлся метод синтеза – формулирование вывода о проблеме и разработка рекомендаций мер и мероприятий мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Результаты Были рассмотрены меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования ЧС на определенном ГТС – филиал ПАО «РусГидро» - «Зейская ГЭС» (далее- ЗГЭС), так как согласно декларации безопасности ЗГЭС обеспечение безопасности ГТС соответствует требованиям нормативных документов. Контроль за состоянием ГТС выполняется с помощью инструментальных и визуальных наблюдений. Проводятся специальные сейсмометрические наблюдения. Для этого используют регистрирующие модули и автономные цифровые сейсморегистраторы для оперативного мониторинга вибраций отдельных частей сооружений и оборудования. Визуальное наблюдение осуществляет персонал службы мониторинга. Для выполнения углубленного анализа данных наблюдений привлекаются специализированные организации. Ежемесячно проводятся совместные тренировки и учения по отработке взаимодействия подразделения охраны, МЧС России, МВД и ФСБ России по предотвращению терактов, обнаружению взрывчатых устройств и захвата заложников на объекте. Для сбора и хранения данных наблюдений используется информационно-диагностическая система БИНГ-3 [17]. Один из методов прогнозирования – это разработка сценариев аварий [18]. На ЗГЭС определены 4 сценария возможных аварий. При помощи качественного ранжирования сценариев возможных аварий ГТС с применением матрицы «частота - тяжесть последствий» был определен наиболее вероятный и наиболее тяжелый по последствиям сценарий. Матрица ранжирования приведена в табл.1. Таблица 1 Матрица качественного ранжирования сценариев аварий
По итогу ранжирования сценариям А1 и А2 присвоена категория В – «средний риск», а сценариям А3 и А4 – категория С – «несущественный риск». Так как сценарий А1 является одновременно наиболее тяжелым по последствиям и наиболее вероятным, то он был рассмотрен более подробно. Сценарий А1 – гидродинамическая авария, связанная с образованием волны перелива и сброса вследствие переполнения водохранилища, произошедшего по причине снижения пропускной способности водосброса в период пропуска паводка обеспеченностью 0,01%. Ожидаемая средняя частота аварии по сценарию А1 составляет 2×10-6 1/год. Расчетное значение вероятного вреда в результате аварии ГТС по сценарию А1 составляет 48657,9 млн. руб. При помощи трехмерной модели зон затопления при различных сбросных расходах в формате Autodesk 3ds max выполняются расчеты параметров волны перелива и сброса вследствие аварии по сценарию А1. Гидравлические расчеты вычитываются с использованием методики, разработанной в АО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева». Методика основана на двумерном нестационарном описании потока с учетом рельефа местности. Расчетное моделирование развития гидродинамической аварии и зоны затопления производятся с использованием численного гидравлического программного комплекса «Hancock 2D». Но для полного прогнозирования также необходимы дополнительные топографо-геодезические и инженерно-геологические работы: статическое зондирование, сейсморазведочные работы, лабораторные исследования грунтов, бурение разведочных скважин и геофизические исследования. Данные методы мониторинга и прогнозирования при внедрении их на каждый объект ГТС помогут избежать тяжелых последствий и подготовить необходимый план действий по предупреждению и ликвидации ЧС. Также на объекте необходим план защиты от диверсионно-террористических актов. К улучшению мер и мероприятий можно отнести проведение комплексной расчетной оценки сейсмостойкости плотин, разработку автоматизированной системы сейсмометрического контроля за ГТС, исследование и оценивание температурного режима и напряженно-деформированного состояния бетонных сооружений. Также необходимо проведение регулярной технической диагностики ГТС, разработка расчетных методик для определения надежности оборудования. Внедрение автономной системы наблюдения при помощи роботов (подводные роботы, беспилотные летательные аппараты, беспилотные надводные транспортные средства) позволит более детально исследовать тело плотины. Робот может двигаться по всем поверхностям и даже по узким местам, что недоступно для человека [19]. Технология наземного активного микроволнового дистанционного зондирования (GB-InSAR) может применяться для мониторинга и прогнозирования деформаций площадей, а также для систем раннего предупреждения о плотинах, поддерживаемых склонами, которые предъявляют высокие требования к непрерывным данным в реальном времени или динамическим данным [20]. Также дистанционное зондирование в виде спутниковых снимков позволит определять изменения ландшафта, гидрологические и экологические изменения, и геологических деформаций [10]. Внедрение и соблюдение всех вышеупомянутых методик на ГТС приведет к увеличению безопасности и уменьшению техногенных катастроф на ГТС. Выводы Гидротехнические сооружения занимают важную роль в жизни человека. Но и также они несут большой риск аварий и катастроф, а их последствия являются разрушительны и серьезны. С одной стороны, ГТС позиционируют себя, как устойчивые и надежные сооружения, но как показывает практика количество гидродинамических аварий увеличивается. Это указывает на то, что существующих мер и мероприятий мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС недостаточно и необходимо внедрение новых методов с целью увеличения надежности. В ходе работе были определены возможные причины гидродинамических аварий, их важность и серьезность, описаны уже существующие эффективные меры и мероприятия мониторинга и прогнозирования ЧС на Зейской ГЭС. Также были даны рекомендательные меры и мероприятия, при внедрении которых на каждый объект ГТС помогут избежать тяжелых последствий и подготовить необходимый план действий по предупреждению и ликвидации ЧС. Таким образом, комплексное внедрение уже существующих и новых мер и мероприятий на ГТС приведут к увеличению безопасности и уменьшению техногенных катастроф на ГТС. На основании разработанных рекомендаций возможны дальнейшие исследованию с целью разработки новых мер и мероприятий мониторинга и прогнозирования ЧС на ГТС. Также некоторые меры и мероприятия, такие как роботизация, использование беспилотных летательных аппаратов, могут быть использованы не только на ГТС, но и на других опасно-производственных объектах, так как их внедрении поможет повысить надежность таких сооружений. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2018 году» /М.:МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2019, 344 с. Albano, R., Mancusi, L., Adamowski, J., Cantisani, A., & Sole, A. (2019). A GIS tool for mapping dam-break flood hazards in italy. ISPRS International Journal of Geo-Information, 8(6) doi:10.3390/ijgi8060250. Багрова Л. А., Боков В. А., Мазинов А. С. Опасные техногенные катастрофы в энергетике как факторы экологического риска // Ученые записки Таврического национального университета имени В. И. Вернадского. Серия: география. -2016. -No2. -С. 9-19. Савчук О.Н., Крейтор В.П. Безопасность жизнедеятельности. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций техногенного и природного характера: учебное пособие по специальности 20.05.0101 - «Пожарная безопасность» / Под общей ред. Э. Н. Чижикова. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2017. – 152 с. Гуменюк В.И., Туманов А.Ю. Моделирование процесса "Реагирование на аварийные ситуации на потенциально-опасных объектах энергетики на ранних стадиях жизненного цикла ЧС" // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2017. - №4. - с. 48-57. Iqbal Ikromi, A., & Nandi Wardhana, P. (2020). Hydrodynamic simulation of a dam breach of cipanas dam using HEC-RAS 5.0.5. Paper presented at the IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 437(1) doi:10.1088/1755-1315/437/1/012052. Безопасность в чрезвычайных ситуациях: сборник научных трудов Всероссийской научно-практической конференции, 19-21 апреля 2018 г. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. – 292 с. Zhaparkulova, Y., Nabiollina, M., & Amanbayeva, B. (2019). Methods of forecasting calculations of breakthrough wave at hydrodynamic accidents waterstorage dam. Paper presented at the E3S Web of Conferences, 97 doi:10.1051/e3sconf/20199705033. Разработка и создание комплекса мероприятий по обеспечению безопасности гидротехнических сооружений // Unece URL: https://www.unece.org/fileadmin/DAM/env/water/damsafety/textbook_annexes.pdf (дата обращения: 03.04.2020). Lin, Z., & Qi, J. (2019). A new remote sensing approach to enrich hydropower dams' information and assess their impact distances: A case study in the mekong river basin. Remote Sensing, 11(24) doi:10.3390/rs11243016. Juliastuti, Alisjahbana, S., Ma'some, D., Setyandito, O., & Suangga, M. (2019). Dam failure model to predict inundation hazard map for emergency plan. International Journal of Engineering and Advanced Technology, 9(1), 249-255. doi:10.35940/ijeat.A1132.109119. Albano, R., Mancusi, L., Adamowski, J., Cantisani, A., & Sole, A. (2019). A GIS tool for mapping dam-break flood hazards in italy. ISPRS International Journal of Geo-Information, 8(6) doi:10.3390/ijgi8060250. Fan, Q., Tian, Z., & Wang, W. (2018). Study on risk assessment and early warning of flood-affected areas when a dam break occurs in a mountain river. Water (Switzerland), 10(10) doi:10.3390/w10101369. Albano, R., Mancusi, L., & Abbate, A. (2017). Improving flood risk analysis for effectively supporting the implementation of flood risk management plans: The case study of “Serio” valley. Environmental Science and Policy, 75, 158-172. doi:10.1016/j.envsci.2017.05.017. Cools, J., Innocenti, D., & O'Brien, S. (2016). Lessons from flood early warning systems. Environmental Science and Policy, 58, 117-122. doi:10.1016/j.envsci.2016.01.006. Delenne, C., Cappelaere, B., & Guinot, V. (2012). Uncertainty analysis of river flooding and dam failure risks using local sensitivity computations. Reliability Engineering and System Safety, 107, 171-183. doi:10.1016/j.ress.2012.04.007. Декларация безопасности ГТС, регистрационный № 18-18(04)0001-00-ГЭС, утверждённая Ростехнадзором 09.01.2018 г. Симагин И. М., Полуян Л. В. Моделирование зон возможных затоплений при авариях на гидродинамических сооружениях // НИЦ «Надежность и ресурс больших систем и машин» УрО РАН, Екатеринбург, Россия. 2018. Zhang, C., Zhan, Q., Wang, Q., Wu, H., He, T., & An, Y. (2020). Autonomous dam surveillance robot system based on multi-sensor fusion. Sensors (Switzerland), 20(4) doi:10.3390/s20041097. Wang, P., Xing, C., & Pan, X. (2020). Reservoir dam surface deformation monitoring by differential GB-inSAR based on image subsets. Sensors (Switzerland), 20(2) doi:10.3390/s20020396. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||