Введение

Человеку в современном мире жить становится все опасней. Если природные катаклизмы - землетрясения, наводнения, лесные пожары угрожали во все времена, то в последнее время к ним прибавились техногенные катастрофы. Каждый день мы слышим о прорывах плотин и дамб, авариях на АЭС, газо- и нефтепроводах, приводящих к наводнениям, выбросам в атмосферу ядовитых газов, разливу тонн нефти. Все это может происходить даже из-за малейших нарушений технологии и техники безопасности, небрежности, недосмотра, наконец, из-за пресловутого "человеческого фактора".
Плотины строились на протяжении тысячелетий - для защиты от паводков, выработки энергии, обеспечения питьевого, промышленного и сельскохозяйственного водоснабжения. К 1950 году правительства многих стран, а в некоторых странах и частные компании, стали строить все большее количество плотин в связи с увеличением населения и ростом национальных экономик. Строительство плотин рассматривалось как важное средство обеспечения потребностей в воде и энергии и как долгосрочное стратегическое капиталовложение, способное приносить многосторонние выгоды. Некоторые из этих выгод типичны для больших социальных проектов связанных с развитием инфраструктуры, другие же являются либо уникальными для всех плотин либо характерными для некоторых из них.
Ученые пришли к выводу, что последствия строительства плотин оказывают большое влияние на окружающую среду, так как скорость течения и эрозия почвы напрямую связаны между собой. Плотины мешают выйти в моря скопившимся в реках отложениям (грязи, отходам, и т.д.). Поэтому у мест слияний рек образуются скопления подобных отходов, ведущие к образованию эрозии. Наглядным примером такой экологической катастрофы является дельта реки Миссисипи [1].
Тем не менее, за последние 50 лет выявились многие особенности функционирования плотин и их влияния на общество и окружающую среду. Большие плотины фрагментировали и преобразили реки мира.
Прорыв плотины имеет катастрофические последствия. Во-первых, поток разрушает сооружения, созданные руками человека на землях ниже плотины. Во-вторых, мощные потоки воды растрачивают свою энергию не только бесполезно, но и с большим ущербом для человека. В-третьих, прежде цветущие земли оказываются разоренными, заваленными камнями.

Рисунок 1 - Визуализация прорыва плотина и последствия затоплдения (анимация).

Цель, задачи работы

Цель данной работы - определение путей создания открытой информационной системы мониторинга, в частности прогнозирование рисков несчастных случаев в результате прорыва плотин в Донецкой области, анализа данных, характеристики объектов, попадающих в зону затопления и получения инструкций к мгновенному реагированию для предотвращения чрезвычайных ситуаций. Идея работы заключается в автоматизации процесса реагирования на чрезвычайное положение, вызванное прорывом плотин в Донецкой области при помощи программных средств. Задачами проекта является анализ последствий прорыва плотины и мгновенного реагирования на эти события, прогнозирования возможных зон затопления, разрушения идущих ниже по течению дамб, рекомендации по проведению спасательных работ.

Существующие исследования и разработки

Данную тему затрагивали некоторые разработчики. Например, по заказу МЧС России разработана специализированная, геоинформационная система (ГИС) "Экстремум". Ее задачи - прогнозировать вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций и, по возможности, предотвращать их, а в случае аварий или стихийных бедствий - планировать работу по ликвидации последствий с таким расчетом, чтобы свести к минимуму причиненный ими ущерб [5].
Для решения этих задач в ГИС имеется несколько блоков. В блоке базы данных соединены картографические и семантические данные в виде различных карт. Кроме блока базы данных у "Экстремума" есть и еще очень важный блок - математические модели. Именно с их помощью прогнозируют обстановку, оценивают опасности природного или техногенного воздействия, рассчитывают поля этого воздействия, ущерб от него, наконец, вырабатывают план конкретных действий, позволяющий с наименьшими затратами добиваться наибольшего эффекта при ликвидации последствий различных аварий и стихийных бедствий.
Помимо блоков базы данных и математических моделей в системе присутствуют блоки оценки последствий, предназначенные для оптимизации мероприятий по эффективному реагированию, и блок выходных данных и документирования. Проще говоря, один блок дает рекомендации, а другой - делает их понятными. Наличие именно третьего блока - блока реагирования - в большинстве случаев и определяет неповторимость этой системы.
Возможности геоинформационной системы "Экстремум" практически безграничны. Например, после землетрясения, произошедшего в какой-либо точке мира, она может менее чем за два часа определить возможные человеческие потери, число находящихся под завалами людей, необходимое количество техники и спасателей для оказания той или иной помощи. Землетрясение в Турции показало, что именно ГИС "Экстремум" дала самую точную оценку случившегося, и в МЧС России узнали о масштабе бедствия раньше, чем турецкое правительство. Поэтому российские спасатели быстрее всех в мире были готовы оказать необходимую помощь. За последние пять лет эту систему применяли при землетрясениях в Нефтегорске, Иране, Афганистане, при последнем землетрясении в Китае. Во всех случаях она выдавала результаты, поразительно близкие к реальности. С ее помощью можно решать не только задачи глобального масштаба, но и частные, касающиеся отдельной области, города, предприятия. Она объяснит, какие меры принять в случае пожара, наводнения, урагана, наконец, террористического акта.
Для решения самых разных проблем, которые возникают во время экстремальных ситуаций, сотрудники Центра разработали на базе ГИС "Экстремум" конкретные приложения к ней. Созданные ими модели позволяют оценить последствия землетрясений, наводнений, лесных пожаров, аварий на АЭС, выбросов химически и радиационно опасных, а также загрязняющих веществ, разрушения плотин и прорывов нефтепроводов. Часть этих моделей уже прошла проверку на практике. Например, в 1979 году в штате Миннесота (США) вблизи населенного пункта Бимиджи при аварии на местности разлилось 10 700 баррелей (1712 м3) нефти. Аэрофотоснимок показал, что площадь загрязнения составила 19 150 м2. Про эту аварию известно практически все - местоположение, количество нефти и время, за которое набралось это "нефтяное озеро". Ситуация просто идеальная, чтобы проверить, насколько совпадает с реальностью предсказание, сделанное аналитиками ЦИЭКСа. Результат подтвердил адекватность модели, разработанной на основе ГИС-технологии. Границы нефтяного пятна фактического и расчетного разлива практически совпали. Что касается площади разлива, то при ее расчете исследователи ошиблись всего на 12%.
Убедившись в том, что модель "работает", ученые спрогнозировали, как будет развиваться ситуация в случае аварии на нефтепроводах Тенгиз (Казахстан) - Новороссийск и Сахалин-1. Теперь известны наиболее вероятные места прорывов на этих нефтепроводах. Остается только заблаговременно "соломку подстелить" [6].
Автоматизированная система дистанционного контроля за состоянием плотины и прогнозирования последствий чрезвычайных ситуаций (АСДК "Плотина") - уникальная система для мониторинга состояния гидротехнических сооружений, а по статистике их в России более 65 тысяч. Государственный надзор, осуществляемый Министерством природных ресурсов, распространяется менее чем на половину из них - на 28 500 объектов. В результате происходит много аварий. Последствия наводнений - это не только ежегодное затопление около 50 000 км2 территорий, приводящее к разрушению мостов, автомобильных и железных дорог, жилых домов и наносящее государству ощутимый ущерб. Но самое страшное - гибель людей.

Рисунок 2 – Прорыв плотины и затопление местности

АСДК "Плотина" разработана специально для шламохранилища ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" (ЗСМК), находящегося в г. Новокузнецке. Шламохранилище представляет собой водоем площадью 229 га с насыпной дамбой длиной около 6 км. В 1978 году из-за ливней вода прорвала дамбу и затопила деревню Мокроусово. Прорыв был сравнительно небольшим, но с тех пор проблема гидроотвалов всегда находится под контролем. Именно поэтому руководство комбината попросило ЦИЭКС решить проблему. В сотрудничестве с коллегами Западно-Сибирского металлургического комбината и работниками из отдела новокузнецкого Госгортехнадзора специалисты ЦИЭКСа создали АСДК "Плотина". Система основана на двух базовых элементах. Первый - автоматизированный контроль уровня фильтрационных вод в теле плотины. Второй - компьютерная обработка этих данных с помощью технологии геоинформационной системы оценки риска и промышленной безопасности, разработанной специально для этого комбината, но которую можно использовать, введя соответствующие изменения, для любого другого гидротехнического сооружения. Именно ГИС позволяет анализировать полученную информацию и на ее основе моделировать развитие ситуации: идентифицировать возможное место прорыва плотины, определить, с какой скоростью, сколько и куда выльется воды, какой будет нанесен ущерб, какие меры необходимо принять. Иными словами, ГИС обеспечивает полный цикл: измерение параметров, получение сигнала об опасности и реагирование на него.
Опытная эксплуатация этой системы на шламохранилище ЗСМК началась в октябре 2002 года. В теле плотины 128 скважин с телеметрическими зондами на базе датчиков давления. Они контролируют уровень грунтовых вод по 32 сечениям плотины на глубине от 0 до 25 м, причем, в зависимости от ситуации, можно проводить измерения раз в сутки, а можно - каждый час. Информация со всех датчиков поступает в терминал сбора данных, а оттуда - в компьютер диспетчерского пункта, где происходит первичная обработка. Эта информация интерпретируется - строятся кривые депрессии. Результаты интерпретации заносят в память компьютера удаленного терминала. При приближении кривой депрессии к критическому уровню АДСК "Плотина" должна, во-первых, автоматически оповестить об этом и сообщить координаты "слабого места" плотины. А во-вторых, оценить с помощью ГИС степень риска, выдать прогноз о зоне возможного затопления и передать эти данные на пульт центра управления гидротехническим сооружением.
Кривые депрессии - не единственный (хотя и наиболее информативный) показатель, позволяющий судить об устойчивости плотины. Система учитывает и такие параметры контроля состояния, как наклон и смещение реперных знаков (специальных опорных знаков, по перемещению которых определяют подвижки в теле плотины), химический состав грунтовых вод, температура и некоторые другие.
С началом эксплуатации АСДК "Плотина" в России впервые появилась система, позволяющая не только постоянно контролировать уровень фильтрационных вод в теле плотины. Открывается возможность сохранять эту информацию в памяти компьютера и формировать базу данных об уровнях воды в скважинах в зависимости от гидрометеорологических условий и состояния плотины (или любого другого гидротехнического сооружения). В базу можно вводить информацию из материалов прошлых лет, и тогда возможен анализ динамики состояния плотины за большие промежутки времени [7].
Модель паводков при разрушении плотины ( DAMBRK ). Программа DAMBRK рассчитывает гидрографы стока в результате водослива и/или потоков, образовавшихся в результате прорыва плотины. Эти гидрографы рассчитываются для территорий, охватывающих речную долину вниз по течению. Программа также позволяет рассчитывать профили водной поверхности при максимальных расходах и время их появления.
Модель DAMBRK рассчитывает гидрограф стока в зависимости от напора водослива или стока с плотины, времени изменяющейся геометрии динамического разрыва. Характеристики разрыва определяются пользователем модели. Влияние притоков в водохранилище рассматривается вместе с его характеристиками объема с помощью расчета запасов или динамической волны в водохранилище. В модели также рассматриваются условия образования волны, обусловленной оползнями. Гидрограф оттока запоминается, а затем рассчитывается по долине вниз по течению с помощью методики расчета динамической волны, в которой уравнения Сен-Венана решаются методом неявных 4pt взвешенных конечных разностей, где время и расстояние являются переменными величинами.
Необходимые данные включают: ширину разрыва, длительность прорыва дамбы, временные ряды притока в водохранилище, характеристики водосбросов, характеристики объема водохранилища, начальный уровень воды в водохранилище, геометрия поперечного сечения, представленная как функция ширины русла от уклона, коэффициенты Маннинга, коэффициенты расширения-сжатия, а также местоположение поперечных сечений, плотин и мостов вниз по течению.
Печатные выходные данные представляются в виде таблиц и графиков.
Данная программа предъявляет такие оперативные требования и ограничения:
- пользователи должны обладать знаниями и опытом работы с нестационарным потоком в открытых руслах;
- рекомендуется проведение 3-5 дневного семинара;
- программа написана на Фортране IV для использования на IBM 360/195, однако она использовалась на множестве мини- и микрокомпьютерах при небольших модификациях;
- размеры максимального массива предусмотрены для 200 поперечных сечений, 700 временных интервалов, 6 видов участков, 8 типов ширины русла, 10 боковых притоков и 10 типов плотин;
- ограничения по программе: рассматриваемый в модели нестационарный поток должен быть одномерным. Программа применима только проблемам отдельно взятой реки;
- типовые требования CPU ( IBM совместимые с компьютером Pentium 133 mhz) - это менее чем 30 сек и требование к памяти - не менее 1 Mб [8].

Заключение

Текущие и планируемые результаты по теме (на этапе курсовго проектирования):

Курсовой проект по теме магистерской работы является первой стадией на этапе подготовки магистра, и его результаты будут использованы в будущей работе над магистерской диссертацией. При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: январь 2007 года. Полный текст работы и все материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Заключение

1. Виссмен У. мл., Харбаф Т.И., Кнэпп Д.У. Введение в гидрологию: Пер. с англ. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

2. http://gumilevica.kulichki.net/Toynbee/Toynbee601.htm ГЕРОИЧЕСКИЕ ВЕКА

3. http://www.prognosis.kiev.ua/ukr/podii/krugliy_stol2/stol2.php?xml=shershevskiy.xml Вода: экологические и социальные проблемы Анатолий Шерешевский

4. Maidment D. R. (ed.). Handbook of Hydrology. New York, NY: McGrow-ffill Inc., 1992

5. http://nauka.relis.ru/06/0309/06309018.htm Техника. Вести с переднего края Спасти мир и человека

6. http://www.exponet.ru/exhibitions/online/industrialmo2004/issledowanij.ru.html ЦЕНТР ИССЛЕДОВАНИЙ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ

7. http://www.esrc.ru/research/technologies/dam/ АСДК "Плотина"

8. http://www.wmo.ch/web/homs/projects/Components/Russian/k15302.html Модель паводков при разрушении плотины (DAMBRK)