Введение
Сегодня мы становимся свидетелями множества ЧС природного характера и рост их числа и мощи продолжается. Нам нужно научиться их прогнозировать и предотвращать разрушение малых инженерных сооружений и их опасные последствия. Мы должны научиться определять возможные последствия и подготовиться к ним заранее. Эти методы помогают снизить неопределенность и принять осознанные решения для минимизации ущерба от паводков. Важно продолжать исследования и разработку новых подходов к управлению рисками, связанными с паводками, чтобы обеспечить безопасность людей и экономическую стабильность в условиях изменяющегося климата.
Методология
Процесс мониторинга и оценки играет ключевую роль в предупреждении и управлении паводками. Создание гидрологических или гидрометеорологических служб на национальном уровне в различных странах является важным шагом для сбора данных о гидрологических показателях и обеспечения доступа к этой информации. Международные источники данных, поддерживаемые организациями системы Организации Объединённых Наций, такие как ГСМОС ООН, АКВАСТАТ ФАО и ИНФОГИДРО ВМО, играют также важную роль в обмене информацией и совместном решении глобальных проблем, связанных с водными ресурсами. Но сегодня катастрофические паводки стали общемировым явлением. Сотрудничество и обмен данными на всех уровнях необходим для эффективного мониторинга и управления водными ресурсами, особенно в условиях изменяющегося климата. Наводнения, особенно в сочетании с ветровыми воздействиями, действительно могут быть очень опасными и непредсказуемыми явлениями, приводящими к серьезным последствиям в виде жертв, разрушений и материальных потерь. Это подчеркивает важность принятия мер по укреплению систем предупреждения и защиты от наводнений [1]. Современные технологии и системы мониторинга позволяют улучшить предупреждение и управление рисками, связанными с воздействием ветра и наводнениями. Чтобы получить текущие гидрометеорологические данные для предсказания возможного опасного изменения погоды, можно воспользоваться следующими способами: государственные метеорологические службы с актуальными данными о погоде и климате. Можно посетить веб-сайт соответствующей метеорологической службы своей страны для получения информации. Метеорологические сайты и приложения: Существует множество метеорологических сайтов и мобильных приложений с актуальными данными о погоде. Некоторые из них также предоставляют предупреждения о возможных опасных погодных явлениях, таких как штормы, наводнения, сильные ветры и т.д. Существуют также специализированные сервисы и порталы, которые предоставляют информацию о гидрометеорологических данных, включая данные о водосборах, уровнях воды в реках, озерах и морях, а также о погодных условиях в конкретных регионах. Социальные сети и онлайн-сообщества: в некоторых случаях местные сообщества и организации могут распространять информацию о погоде и опасных погодных явлениях через социальные сети или специализированные онлайн-сообщества.
Результаты
Некоторые страны имеют национальные центры по предупреждению бедствий, которые предоставляют информацию о погоде, климате и опасных погодных явлениях, а также рекомендации по предупреждению и защите от них. Можно обратиться к соответствующему центру своей страны для получения информации. Для надежных прогнозов и предупреждений об опасных погодных условиях важно обращаться к официальным и авторитетным источникам информации. Но все это должно быть прописано в стандартах, так как отсутствие указаний на возможные проблемные вопросы эксплуатации малых гидротехнических сооружений (МГТС) и малых инженерных сооружений (ИССО) и, как следствие, не решение вопроса, приводит к крупным авариям и потерям как материальным, так и жизням – людей и животных. Например, связь между большим объемом снега зимой и возможным паводком от его таяния весной 2024 года показала, что может быть, если мы не включаем в рассмотрение этот важный аспект гидрометеорологической информации – рис. 1. Рисунок 1 – Госкорпорация Роскосмос показала спутниковые снимки ситуации с наводнением в Орске на 05.04. и 11.04 2024 г. (правый снимок) (https://pressa24.ru/13/04/2024/goskorporatsija-roskosmos-pokazala-sputnikovye-snimki/).
Результаты
Приведенные данные свидетельствуют и о том, что необходимы в нынешних условиях водохранилища для сдерживания паводков, а также о том, что люди не следуют требованиям безопасности и вместе с властными структурами осваивают низкие затопляемые поймы рек, не беспокоясь вовремя о сохранности своих строений и жизней. Покоренная природа не вызывает у людей уважения, но она не прощает этого. Необходимо учить уроки и делать выводы… Это же касается и разработки методики прогнозирования возможных уровней воды и ветровых нагрузок для поддержания гидротехнических сооружений, ИССО (малые инженерные сооружения) и инфраструктуры в рабочем состоянии во избежание аварий, ущербов и потерь. И тут весьма важным является бассейновое изучение поведения рек как в естественных условиях, так и в городских, где реки выполняют важные функции линейных экокоридоров и несут большую антропогенную нагрузку.
Обсуждение
Вполне вероятно, что для наиболее проблемных речных зон с точки зрения в первую очередь паводков, необходимо к цифровой модели гидротехнического сооружения подключать цифровую модель речного русла или водоема для прогноза как прорывных паводков (волн размыва), так и паводков весенних от таяния снегов и дождевых с зонами затоплений. Современные технологии и системы мониторинга играют ключевую роль в улучшении предупреждения и управления рисками, связанными с воздействием ветра и наводнениями. Примером воздействий паводков совместно с ветровыми воздействиями может быть обрушение моста в связи с осадкой опоры в июле 2018 года в городе Чите, когда после продолжительных дождей был зарегистрирован рост уровня воды в реке. Продолжительные осадки вызвали резкое увеличение расходов реки и роста скорости течения в стесненном потоке. Возник размыв воронки у опоры моста и насыпей подходов к сооружению [2]. Много городов и сельскохозяйственных производств возникли на берегах рек и в низменных участках [3].
Обсуждение
Низменные территории сложно защитить от водной стихии. Это бедствие не обходит стороной и дорожную сеть, и мостовые сооружения. 23 июля 2021г. в Забайкалье из-за дождей обрушился железнодорожный мост на Транссибе на перегоне Куэнга-Укурей вследствие обильных осадков из-за смыва опоры моста. Мост через р. Ареда – рис. 2. Рисунок 2 - Мост железнодорожный через р. Ареда обрушился из-за дождей на Транссибе на перегоне Куэнга-Укурей Большую роль играет правильная эксплуатация гидротехнических сооружений, предупредительные и восстановительные ремонты на плотинах, берегоукрепительные работы должны быть систематическими, чтобы избежать аварийных и даже чрезвычайных ситуаций на водотоках [4]. Рассмотрение малых инженерных сооружений, работа которых нарушена в результате наводнения, позволяет квалифицировать факторы, повлиявшие на их работу и вызвавшие её нарушение. 24 октября 2018 года в Краснодарском крае прошли ливни. Пострадали Большой Сочи, Туапсинский и Апшеронский районы: за 6-8 часов выпала двухмесячная норма осадков. Реки Туапсе и Макопсе вышли из берегов (рис. 3 и 4) [5]. Рисунок 3 - Водосбор реки Макопсе Рисунок 4 - Карта высот зоны Туапсе Сочи-по данным SRTM3. Дельта Макопсе указана чертой Через реку Макопсе перекинуты два железнодорожных моста в 1926 году и в 1980-м году. Этот мост ближе к горам и принял на себя основной удар паводка. Сильное течение подмыло опору моста через реку Макопсе. Натиск воды выдержали только участки, укреплённые бетонной подпорной стеной. Перерыв в движении затронул 36 поездов (рис. 5). Рисунок 5 - Железнодорожные мосты до и после паводка По данным одной из крупнейших в мире перестраховочных компаний Munich RE, количество наводнений, селей и оползней за период с 2006 года увеличилось более чем вдвое. Это объясняется эффектами глобального потепления. Моделирование паводка 23-25 октября 2018года. Оценка характеристик и прогнозирование катастрофических паводков на Черноморском побережье России ливней 24.10.2018 по метеопрогнозам по данным ВНИИГМИ-МЦД и Rp5.ru: ничего чрезвычайного не ожидалось ни одной из моделей – рис. 6а и 6б. Входные данные об осадках – данные климатической модели WFR – рис. 6в количество выпавших осадков – до 400мм.
Выводы
Рисунок 6 - Моделирование паводка 23-25 октября 2018года Поднятие уровня воды в реке в условиях подобной формы водосбора вызывает многократное увеличение расходов водотока и повышением скорости течения в стеснённом потоке. В качестве последствий прошедших паводков и причинах разрушений мостов называют ошибки проектно-изыскательских работ 1970-1980 годов с уменьшением числа и размеров отверстий мостов, что вызвало размытие подходов к мостам; качество строительства особенно фундаментов опор мостов и неудовлетворительная эксплуатация, профилактика повреждений мостов. Данные статистики говорят о том, что 90 % самых тяжёлых экономических потерь приходится на опасные гидрометеорологические явления: паводки, наводнения, сильный ветер, ливневые дожди, град, засухи, оставляя таким стихийным бедствиям, как извержения вулканов, цунами и землетрясения, лишь 10 %. При этом, как отмечает Росгидромет, к росту ущербов приводят не только изменения погодно-климатических воздействий, но и возрастающая уязвимость инфраструктуры. И причин тут несколько – и длительный срок эксплуатации сооружений, и возможные ошибки проектирования, и застройка пойменных территорий. Водный кодекс позволяет ограничивать в документах территориального планирования, прежде всего в генпланах, использование земель, имеющих риск быть затопленными в период половодья. Рисунок 7 - Картодиаграмма распределения центров регионов наводнений по основным генетическим типам, РФ. Сбор информации о наводнениях ведётся в рамках Министерства по чрезвычайным ситуациям РФ. В настоящее время понятно, что требуется повышение эффективности и технологии прогноза максимального стока и уровней воды, разработка математических моделей формирования речного стока и затопления освоенной местности и направлений течения. Технология должна сопровождаться созданием точных цифровых моделей рельефа, инфраструктуры и защищаемых объектов. То есть, необходимо определение источников информации, сбор и структурирование исходных данных: топографических, гидрологических, метеорологических, климатических, гидрогеологических. Очень важную роль в процессе решения задачи играет метеоинформация. Одна из существующих проблем – плотность сети метеостанций. При создании растровой карты рисков осадков с повышенной точностью вблизи паводково опасных районов – объектов, проводим так называемую геопространственную интерполяцию данных с использованием дополнительной информации, получаемой как с окружающих объект метеостанций, так и, например, с метеорологических спутников земли [6]. Субъектами мониторинга и прогнозирования опасных (стихийных) гидрологических явлений (ОГЯ) являются подразделения Росгидромета и МЧС России. Используемые методики для расчёта срочных максимальных расходов воды в задачах инженерного проектирования основаны на статистической обработке исторических рядов гидрометеорологической информации. Отсутствия в этих рядах в историческом отрезке времени ливней с экстремальными характеристиками становится причиной недооценки рисков опасных гидрологических явлений [7]. Формирование базы данных источников информации. Накопленная по мере выполнения работы информация оформляется в виде базы данных, которая необходима для оценки и прогнозирования наступления расчётных случаев. Необходимо моделирование природно-климатических воздействий и нагрузок на инфраструктуру. Определение параметров внешних воздействий, при которых возникнут размывы и дефекты пути автомобильных и железных дорог, дамб и плотин (неровности-просадки), при которых возможна угроза безопасности движению транспорта и нормальной эксплуатации сооружений. Установление опасности стихийных бедствий — Анализ характеристик основных стихийных бедствий (например, интенсивность, периодичность и вероятность) и оценка исторических данных. — Составление карт опасных зон в целях определения географических районов и административных единиц, которые могут пострадать от стихийных бедствий. — Анализ данных, прогноз и составление предупреждений на основе признанных научно-технических методик (рис. 8); — Схема работы предлагаемой системы оперативного оповещения [8]. Рисунок 8 - Система детализированного прогноза COSMO_RU Для установления погодных условий на конкретную дату возможно использование данных Гидрометцентра (COSMO_RU, сетка 2 км) или бесплатные ресурсы (сетка от 60 км): 1.Определяются критерии-расходы воды, приводящие к разрушениям моста и пути, и нарушению движения; [9]. 2.Оцениваются расходы воды при заданных уровнях и метах выпадения осадков; [9]. 3.Данные метеопрогнозов осадков автоматически пересчитываются в вероятные расходы воды на подходе к ИССО (например, мосту). [9]. 4.При превышении критерия – предупреждения. [9]. 5.Планирование ремонтов с учётом вероятности осадков [9]. Далее применяются специализированные программы по расчёту зон затопления паводком и его взаимодействия с инфраструктурой и руслом с учётом исходных данных, приведённых в статье. Наиболее популярной является программа Ansys CFX и Ansys Fluent (разрабатывается американской компанией Ansys inc.). Расчеты аэрогидродинамики в ANSYS выполняются ANSYS CFX или ANSYS FLUENT. CFX более устойчивый при малых скоростях потока, с более удобной схемой подготовки исходных данных и менее требовательный к качеству расчётной сетки. Также весьма интересным представляется решение поставленной задачи с применением отечественного комплекса Flow Vision (разработчик – «ТЕСИС», Россия), тем более, что применение данной программы даёт возможность контакта с разработчиками и получение консультаций. FlowVision включён в Единый реестр российских программ, а импорт 3D моделей в распространённых форматах максимально упрощает переход с иностранного ПО на FlowVision. Выводы 1.Половодья и паводки являются общей частью проблемы воды на планете, проблемой глобальной, особенно для ИССО и МГТС в виде мостов и дамб. 2.Необходимо построение карт климатических рисков с учётом метеостатистики и возможных изменений климата для наиболее значимых участков и объектов на трассах ИССО и МГТС в виде мостов и дамб. 3.Необходимо определение расходов воды на подходе к важным ИССО и МГТС при различном уровне и месте выпадения осадков с возможностью автоматического пересчёта прогнозов осадков. 4.Для апробации технологии приняты мосты на р. Макопсе в Краснодарском крае ЮФО. 5.Основная методология решения задачи – с помощью гидродинамического моделирования с воспроизведением также и ветрового воздействия, и других влияющих факторов. Верификация проводится путем сравнения с модельными гидравлическими исследованиями и натурными исследованиями ИССО [9]. 7.Жизненный цикл ИССО и МГТС делим на три этапа: – проектирование; – строительство – и эксплуатация [10]. 8.Используемое в предлагаемой методологии программное обеспечение (ПО), позволяет в нужный момент воспроизводить работу ИССО или МГТС и прогнозировать работу и необходимые действия по отношению к сооружению [10]. 9.Необходимо моделирование природно-климатических воздействий и нагрузок на инфраструктуру. Следует определить параметры внешних воздействий, при которых возникнут размывы и дефекты пути-неровности-просадки, при которых возможна угроза безопасности движению поездов или автомобилей. 10. Перерасчёт сечений, эксплуатируемых на сети дорог малых искусственных сооружений (далее ИССО) по водопропускной способности. — Анализ конструкции выходных отверстий с целью исключения размыва земляного полотна; — В том числе с учётом гидродинамических (волновых) нагрузок, вызванных прорывом (либо отсутствием) защитных противопаводковых сооружений; — Целесообразна разработка программного-аппаратного комплекса для оперативного прогноза рисков сооружений на основе анализа метеопрогнозов.