10Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь, №1 (13), 2011 УДК 504.064.36::627.8.059.22
К СОЗДАНИЮ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА РИСК-СИТУАЦИЙ НА ИСКУССТВЕННЫХ ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ
Левкевич В.Е., к. т.н., доцент, Малашевич В.А.
Командно-инженерный институт МЧС Республики Беларусь e-mail: ecoserv@tut.by
На основании анализа состояния ряда гидротехнических сооружений, расположенных на водохранилищах Республики Беларусь, предложена структура системы мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях, даны предложения по концепции ее построения.
On the base of the analysis of conditions of a number of hydro technical constructions situated on water reserves of the Republic of Belarus proposals are given concerning the structure of monitoring system of risk-situations on such objects. The proposals according to the conception of its building are given.
(Поступила в редакцию 8 февраля 2010 г.) Введение
Сложившаяся в настоящее время сложная экологическая обстановка, обусловленная природными катаклизмами, вызвавшими ряд аварий на водных объектах в ряде европейских государств, стран ближнего и дальнего зарубежья заставляет задуматься об обеспечении безопасности населения и территорий, расположенных в прибрежной части водных объектов Беларуси. На сегодняшний день в республике эксплуатируется более 10 тыс. водных объектов - озер, прудов, водохранилищ. На долю малых водохранилищ (объемом более 1 млн м3, площадью зеркала до 40 км2) приходится более 150 водных объектов (рис. 1). Длина береговой линии малых водохранилищ достигает значительной величины - свыше 1200 км [1-2]. Основная их часть имеет в своем составе различного рода инженерные сооружения, включающие плотины, дамбы, водосбросы, водовыпуски, гидроэлектростанции, шлюзы, водозаборы, сооружения берегозащиты и т. д. Большинство указанных объектов эксплуатируется на протяжении весьма значительного отрезка времени, а с учетом того, что срок их эксплуатации в соответствии с классом капитальности сооружений не должен превышать пятидесятилетний рубеж, оценка состояния объектов потенциальной опасности требует наличия объективной информации о техническом состоянии упомянутых сооружений и инженерных систем гидротехнического назначения.
В качестве инструмента, осуществляющего диагностику искусственных водных объектов и гидротехнических сооружений на них, а также прогноз их состояния и управления сложившейся ситуацией, может явиться комплексная система мониторинга и, в частности, система мониторинга рискообразующих факторов на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях. Один из возможных вариантов реализации проекта создания системы мониторинга риск-ситуаций на примере искусственных водных объектов, а также методика ведения мониторинга, средства сбора информации, способы ее обработки и представления будут рассмотрены в настоящей работе.
Общие положения концепции мониторинга берегов
Термин «мониторинг» был введен для определения комплекса мероприятий, обеспечивающих сбор информации с определенных точек или постов наблюдений, обработки и анализа полученных данных, их интерпретации и визуализации с целью проведения прогнозных расчетов, необходимых для разработки и принятия управленческих решений [3].
131
1. Оброво; 2. Орехово; 3. Беловежская Пуща; 4. Белин-Осовцы; 5. Береза-1; 6. Велута; 7. Великие Орлы; 8. Головчицкое; 9. Гать; 10. Гоща; 11. Домановское; 12. Джидинье; 13. Днепробугское; 14. Жидча; 15. Кривичи; 16. Критышин; 17. Кутовщина; 18. Локтыши; 19. Либерполь; 20. Луковское; 21. Любань; 22. Любашев-ское; 23. Морочно; 24. Миничи; 25. Погост; 26. Паперня; 27. Возрождение; 28. Рудники; 29. Рудея; ЗО.Репихово; 31. Собельское; 32. Селец; 33. Хомск; 34. Чемелянское; 35. Добромысленское; 36. Ключегорское; 37. Клясцицкое; 38. Крапивенка; 39. Ловжанское; 40. Лукомское; 41. Стародворское; 42. Тулово; 43. Альбин-ское; 44. Авсюки; 45. Бобруйковское; 46. Вить; 47. Великоборское; 48. Днепробрагинское; 49. Загатье; 50. Коммунар; 51. Княжеборское (Млынок); 52. Лешненское; 53. Меркуловичи; 54. Михедовичи; 55. Муравен-ское; 56. Новополесское; 57. Светлогорское; 58. Свидное; 59. Свеча; 60. Судкова; 61. Уборок; 62. Уласы; 63. Телешовское; 64. Чечера; 65. Ольховское; 66. Волповское; 67. Гезгальское; 68. Дублянское; 69. Зельвенское; 70. Корнадское; 71. Лаздунское; 72. Лубянское; 73. Рачунское; 74. Яновское; 75. Ореховк;а; 76. Осиповичское; 77. Городище; 78. Горы; 79. Днепрец; 80. Добосна; 81. Зарестье; 82. Коровчино; 83. Кри-чевское; 84. Курманово; 85. Милославичское; 86. Нежково; 87. Палужское; 88. Рудея; 89. Скриплица; 90. Сту-денковское; 91. Тетеринское; 92. Чигиринское; 93. Острошицкий Городок; 94. Борки; 95. Вилейское; 96. Во-лма; 97. Волчковицкое; 98. Вяча; 99. Гореницкое; 100. Дрозды; 101. Дубровское; 102. Жодинское; 103. Заслав-ское; 104. Комсомольское озеро; 105. Резервное; 106. Криница; 107. Лошанское; 108. Любанское; 109. Левки; 110. Марьина Горка; 111. Михайлово; 112. Плещеницкое; 113. Петровичское; 114. Рудня; 115. Саковщинское; 116. Солигорское; 117. Смолевичское; 118. Тимковичское; 119. Цнянское; 120. Чурвиловичское; 121. Чижов-ское; 122. Краснослободское; 123. Лепельское; 124.Лукомской ГРЭС; 125. Селявское; 126. Езерищенское; 127. Хоробровка; 128. Брасловское; 129. «Путь к коммунизму»; 130. «Дружба народов»; 131. Освейское; 132. Гомельское ГЭС; 133. Белоозерское
Рисунок 1 - Карта-схема расположения водохранилищ
В качестве примера рассмотрим систематизированный свод сведений, помещенный в соответствующую специализированную периодически пополняемую базу данных, образующую так называемый кадастр берегов [2]. В кадастрах берегов приводятся сведения о процессах, протекающих в береговой зоне водохранилищ, их характеристики, а также параметры основных берегообразующих факторов и условий. Данная информация, помещенная в базу данных кадастра берегов, служит основой для разработки проектов водо- и берегозащитных мероприятий [3].
Обработка кадастровой информации может выполняться при помощи информационно-справочной системы, которая позволяет автоматизировать процессы хранения и анализа информации, выдачу потребителю необходимых сведений о состоянии берегов водных объектов по произвольной форме запроса [4] в графическом, цифровом или табличном выражении.
Однако кадастровая информация дает сведения лишь о дискретном состоянии того или иного объекта на какой-то конкретный момент времени. Такая информация не всегда позволяет оценить динамику того или иного процесса во времени, что в свою очередь не дает возможности выполнить прогноз данного явления, а затем производить инженерные расчеты для выбора варианта берегозащиты или управления природным процессом [3].
Именно для этих целей возникла идея создания системы мониторинга и ее концепции, которая рассмотрена ниже.
Целью создания системы мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах Беларуси является разработка информационного обеспечения, характеризующего реальное состояние данных объектов и гидротехнических сооружений на них в рамках территориальной принадлежности Республики Беларусь.
Для достижения поставленной цели необходимо предлагаемую систему мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах Беларуси и их гидротехнических сооружениях интегрировать в системы земельного и водного кадастров и Национальную систему мониторинга окружающей среды.
Кроме стандартных методик для сплошной съемки территории государства предлагается широко использовать возможности дистанционных методов с применением средств авиационного и космического базирования [3].
Анализ состояния некоторых гидротехнических сооружений водохранилищ Беларуси
На первом этапе за основу анализа и рассмотрения взяты результаты натурных наблюдений состояния искусственных водных объектов и их гидротехнических сооружений, расположенных в различных регионах страны на всей территории Республики Беларусь. Приведенные ниже примеры состояния эксплуатируемых сооружений по ряду обследованных объектов свидетельствуют об актуальности рассматриваемой проблемы в виде реальной угрозы возникновения ситуаций чрезвычайного характера, представляющих собой опасность в первую очередь для жизни и здоровья людей, а также объектов народного хозяйства в виде материального ущерба, вызванного их возникновением.
Так, подножье сборно-монолитного железобетонного покрытия откосов берегов в нижнем бьефе ГЭС Волпа (водохранилище Волпа), расположенном в Волковысском районе Гродненской области (рис. 2), в результате механических воздействий водяных потоков и прогрессирования абразионных процессов имеет значительные повреждения в виде разрушения указанных конструкций и выноса грунта из-под них. Перечисленные факторы не исключают возможность обрушения конструкций берегозащиты и представляют серьезную угрозу для обслуживающего персонала и иных лиц, которые могут оказаться в опасной зоне в критический момент.
В результате воздействия негативных факторов, оказывающих влияние на конструкции водосбросных сооружений шахтного типа в период снеготаяния и сезона ледохода, а также долгосрочной эксплуатации без планово-предупредительного ремонта и технического
обслуживания данного гидросооружения произошло разрушение его сборных конструкций на искусственном водном объекте Лаздуны Ивьевского района Гродненской области (рис. 3). Все это представляет непосредственную угрозу критического изменения уровня воды в указанном водохранилище с последующим затоплением нижележащего населенного пункта, объектов и территорий сельскохозяйственного назначения.
Рисунок 2 - Берегозащита в нижнем бьефе ГЭС Волпа
Рисунок 3 - Шахтный водосброс водохранилища Лаздуны
Вследствие сочетания природных и гидродинамических факторов, оказывающих поражающее воздействие, разрушен гидроизолирующий материал автоматического водосброса, произошел вынос грунта и значительно увеличилась фильтрация в нижний бьеф Княже-борского водохранилища (Ельский и Наровлянский районы Гомельской области) (рис. 4). Перечисленные факты спровоцировали проседание плит берегозащитных сооружений и непосредственно самой конструкции автоматического водосброса. Наступающие негативные последствия аварии на искусственном водном объекте несут серьезную угрозу людям и объектам экономики, расположенным в непосредственной близости в нижнем бьефе разрушенного гидроузла.
Рисунок 4 - Берегозащитные сооружения и конструкции автоматического водосброса
Княжеборского водохранилища
Несущая и самонесущая стены (преимущественно в нижней части) железобетонного водосброса на искусственном водном объекте, расположенном вблизи населенного пункта Острошицкий Городок Минского района Минской области (рис. 5), имеют значительные разрушения в виде сколов и выщелачивания бетона различной глубины, обнажение арматуры, сквозные проемы, вынос грунта и т. п. Перечисленные повреждения гидротехнического сооружения наступили в результате гидродинамического воздействия и влияния антропогенных факторов. Как следствие, существует риск деформации либо частичного разрушения конструкций гидротехнического сооружения, заклинивания затворов с последующим подтоплением нижележащих территорий.
Перечень реально существующих такого рода фактов на гидротехнических объектах водохранилищ Беларуси, к огромному сожалению, на этом не заканчивается. Основные характеристики и критерии оценки состояния на примере некоторых объектов приведены в табл. 1. Приведенные данные основаны на результатах многолетних натурных
наблюдений различных авторов, собственных фактических материалах, фондовых данных организаций. Состояние гидротехнических сооружений (ГТС) оценивалось по внешним признакам и представлялось в количественно-качественном выражении с распределением на три вида: 1 - хорошее (отсутствуют явные признаки разрушений и деформации конструкций), 2 - удовлетворительное (незначительные разрушения и деформация конструкций) и 3 - неудовлетворительное (значительные разрушения и деформация конструкций) (см. табл. 1).
Рисунок 5 - Железобетонный водосброс водохранилища Острошицкий Городок
Основные положения концепции и структуры Системы мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах
и их гидротехнических сооружениях
Анализируя ситуацию, на основе данных собственных наблюдений и обследованиях проведенных авторами более чем на 50 искусственных водных объектах страны, становится очевидным, что состояние гидротехнических сооружений на искусственных водных объектах Беларуси представляют серьезную опасность для населения и объектов экономики в плане возникновения ситуаций чрезвычайного характера. Особую тревогу вызывает период активизации гидродинамических явлений, таких как паводок, ледоход, подтопление и т. п. В этой связи авторами предлагается идея создания системы, которая могла бы контролировать состояние сооружений при возникновении указанных гидрологических явлений. Основная функция данной системы - предупреждение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера на этих объектах. Основой такой системы будет являться система мониторинга рискообразующих факторов на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях.
№ п/п Название водохранилища Тип водохранилища Год ввода в эксплуатацию Административно-территориальная принадлежность Водоток Вид регулирования Глубина сработки уровня в водном объекте, м Тип сооружения и его состояние Год обследования
Платина земельная Водосброс ГЭС (ГРЭС) Шлюз Берегозащитное сооружение
1 Браславское Озерное 1956 Витебская обл. Браславский р-н р. Друйка, оз. Дрысвяты Сезонное 3,0 Насыпная из суглинков с зубом. (2) Открытый практического профиля. (2) (3) (2) (2) 1988
2 Волпянское Русловое 1956 Гродненская обл. Волковысский р-н р. Рось Суточное 0,3 Насыпная из местных грунтов. (2) Платина бетонная водосливная практического профиля (3) (3) (2) (2) 1989
3 Гезгальское Русловое 1950 Гродненская обл. Дятловский р-н р. Молчадь Суточное 0,3 Насыпная из песков и суглинков. (2) Открытый практического профиля. (2) (2) (2) (2) 1989
4 Гомельское Русловое 1952 Витебская обл. Полоцкий р-н р. Туровлянка Сезонное 0,8 Глухая из суглинков с зубом. (2) Открытый практического профиля. (3) (3) (1) (2) 1988
5 Добромыс-лянское Русловое 1962 Витебская обл. Ле-озненский р-н р. Черница Сезонное — Насыпная земляная из местных средне-зернистых песков. (2) Открытый полигонального профиля. (3) (3) (3) (2) 1988 1990 1999
6 Дружба Народов Озерное 1953 Витебская обл. Браславский р-н р. Дрисвята Сезонное 0,6 Насыпная из суглинков. (2) (2) (3) (2) (1) 1997
7 Дубровское Русловое 1983 Минская обл. Смо-левичский р-н р. Усяжа Сезонное — Насыпная, разнородная с понуром. (3) С 3-мя поверхностными и донными отверстиями и многоступенчатым перепадом (1) (1) (2) (3) 2002
8 Ключе-горское Русловое 1953 Витебская обл. Го-родокский р-н р. Оболь Сезонное — Глухая земляная из суглинков. (2) Открытый практического профиля. (2) (3) (1) (2) 1988
со сь
I
с
а; §
§
аз I о* I
0
с
1 сь ■о I о си
0
с
1 о
-с
0
1
с а; с
СП
§
си !
.со
N3
о
Окончание таблицы 1
№ п/п Название водохранилища Тип водохранилища Год ввода в эксплуатацию Административно-территориальная принадлежность Водоток Вид регулирования Глубина сработки уровняв водном объекте, м Тип сооружения и его состояние Год обследования
Платина земельная Водосброс ГЭС (ГРЭС) Шлюз Берегозащитное сооружение
9 Лепельское Озерный 1958 Витебская обл. Ле-пельский р-н р. Улла оз. Лепельское Сезонное 1,0 Насыпная из тонкозернистых песков. (2) Открытый практического профиля. (3) (3) (2) (2) 1988 1996
10 Локтыши Русловое 1977 Брестская обл. Ганцевичский р-н р. Лань Сезонное — (1) (1) (1) (3) (2) 2003 2005
11 Любанское Русловое 1966 Минская обл. Смо-левичский р-н р. Оресса Сезонное 2,0 (1) (2) (1) (2) (2) 1991 2003
12 Новоселков-ское Русловое 1953 Гродненская обл. Дятловский р-н р. Молчадь Сезонное — Насыпная из местных песчаных грунтов (2) Открытый практического профиля (3) (2) (3) (2) 2010
13 Осипович-ское Русловое 1953 Могилевская обл. Осиповичский р-н р. Свислочь Суточное 0,5 Насыпная (3) С широким профилем полигонального профиля. (2) (2) (2) (1) 2010
14 Рачунское Русловое 1959 Гродненская обл. Сморгонский р-н р. Ошмянка Суточное — Насыпная из местных песчаных грунтов (2) Открытый полигонального профиля. (2) (3) (2) (1) 1989 1993
15 Тетеринское Русловое 1955 Могилевская обл. Круглянский р-н р. Друть Сезонное 0,5 Насыпная из разно-зернистых песчаных грунтов (2) Плотина Сенькова с одним шпунтовым рядом у переднего зуба. (3) (2) (2) (2) 1989 1994
16 Чигиринское Русловое 1961 Могилевская обл. Кировский р-н р. Друть Сезонное 0,5 Насыпная из местных песчаных грунтов (2) Практического профиля, ячеистого типа (1) (2) (1) (2) 1989 1994
Примечание: (1) - отсутствуют явные признаки разрушений и деформации конструкций; (2) - незначительные разрушения и деформация конструкций; (3) - значительные разрушения и деформация конструкций.
со сь
1 I с
а; §
§
аз I о* I
0
с
1
I сь ■о I о си
0
с
1 о
-с
0
1
с а; с
СП
сь ^
си
I
N3
о
Ввиду того, что существующая сеть искусственных водных объектов республики является неотъемлемой частью гидросферы, следует учитывать функционирующую Национальную систему мониторинга окружающей среды (НСМОС).
НСМОС - открытая система, объединяющая отдельные виды и подвиды мониторинга окружающей среды и обеспечивающая их взаимодействие в целях получения комплексной информации о состоянии окружающей среды, анализа прогноза ее изменений, для обеспечения государственных органов, юридических лиц и граждан полной, достоверной и своевременной информацией [5].
Предлагаемая система мониторинга ГТС может явиться составляющим компонентом НСМОС в разделе мониторинга поверхностных вод. В равной мере разработка такой подсистемы мониторинга расширит возможности создаваемой в рамках МЧС Республики Беларусь Государственной системы предупреждения и реагирования на ЧС (ГИСПР), что определяет актуальность и необходимость ее разработки.
Источниками наполнения базы данных системы мониторинга искусственных водных объектов, гидротехнических сооружений и рискообразующих факторов являются:
- данные наземных источников (оперативная информации о состоянии гидротехнических сооружений), поступающие от обслуживающего персонала служб эксплуатации водных объектов и сооружений на них, передаваемые посредством проводной телефонной связи, локальных, комбинированных и глобальной компьютерных сетей, сотовой радиосвязи в ЭО-формате;
- оперативная информация Департамента по гидрометеорологии Министерства природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Беларусь, наземных геодезических и топосъемок, соответствующих ведомственных гидропостов, функционирующих на водотоках Республики Беларусь;
- наиболее современный и оперативный способ сбора информации - использование данных дистанционных методов диагностики земной поверхности (данные аэрофотосъемок различного масштаба, информация от объектов космического базирования). При этом наряду с отечественными могут использоваться открытые системы, принадлежащие государствам ближнего и дальнего зарубежья.
Структура предлагаемой системы мониторинга рискообразующих факторов на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях будет состоять из 4 уровней (рис. 6):
- центрального, или республиканского;
- регионального, или областного;
- местного, или районного;
- локального, или объектового.
Связь различных уровней должна осуществляться автоматически на основе использования универсальных (общепринятых, стандартных) форматов обмена данными, а также обмена стандартного комплекта карт и характеристик.
Основными потребителями информации о риск-ситуациях являются Министерство по чрезвычайным ситуациям, Правительство, а при необходимости - Президент Республики Беларусь [6].
Для функционирования предлагаемой системы мониторинга гидротехнических сооружений на водных объектах (МГТСВО) необходимо создание специального программного обеспечения для оценки как состояния сооружений, так и отдельных риско-образующих факторов. Кроме того, порядок ее функционирования с классификатором показателей, характеризующих состояние водных объектов и гидротехнических сооружений на них, включающих основные критерии оценки (см. табл. 1), сведенные в базу данных с учетом уровневого признака, будут определять принцип работы системы МГТСВО.
Рисунок 6 - Структурная схема предполагаемой системы мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях
Заключение
Методология оценки риска является основой, на которой проводится разработка решений по безопасной эксплуатации тех или иных объектов.
С учетом существующих проблем в разработке методологии и информационном обеспечении исследований риска наиболее эффективным результатом применения вероятностных методов прогноза риска и управления безопасностью в настоящее время считаются выявление с их помощью «слабых мест» в технологических звеньях, конструкциях, технологических решениях и регламентах эксплуатации потенциально опасных объектов, а также возможность сравнительного (относительного) анализа риска и безопасности различных, в том числе новых проектов опасных систем и технологий [6].
Однозначно установлено, что для прогнозирования и управления риском в масштабе страны необходимо создание системы мониторинга риск-ситуаций на искусственных водных объектах и их гидротехнических сооружениях. В работе даны предложения по разработке концепции построения данной системы.
Литература
1. Водохранилища Беларуси : справочник / М.Ю. Калинин [и др.] ; под общ. ред. М.Ю. Калинина. - Минск : ОАО «Полиграфкомбинат им. Я. Коласа», 2005. - 182 с.
2. Левкевич, В.Е. Ведение кадастра берегов водных объектов (озер, водохранилищ, прудов) с помощью ПЭВМ. Препринт № 29 / В.Е. Левкевич [и др.] ; под общ. ред. В.Е. Левкевича. - Минск : АНБ, 1994. - 38 с.
3. Левкевич, В.Е. Экологический мониторинг берегов (соа81шош1;о11^) водных объектов Беларуси. Препринт № 32 / В.Е. Левкевич [и др.] ; под общ. ред. В.Е. Левкевича. - Минск : РНТЦ «Эко-мир», 1995. - 36 с.
4. Левкевич, В.Е. Повышение эффективности расчета берегоохранных мероприятий при использовании информационно-справочной системы «Береговые процессы на малых водохранилищах» // Мелиорация и водное хозяйство. - Вып. 12. - Минск, 1989.
5. Остапеня, А.П. Концепция оптимизации Национальной системы мониторинга окружающей среды Республики Беларусь / А.П. Остапеня [и др.] ; под общ. ред. С.П. Уточкиной. - Минск : «Логвинов», 2003. - 40 с.
6. Левкевич, В.Е. Экологический риск - закономерности развития, прогноз и мониторинг / В.Е. Левкевич - Минск : ИООО «Право и экономика», 2004. - 152 с.
7. Качугин, Е.Г. Инженерно-геологические исследования и прогнозы переработки берегов водохранилищ. Рекомендации по изучению переработки берегов водохранилищ / Е.Г. Качугин. -М. : Госгеологоиздат, 1959.
8. Чеботарев, А.И. Гидрологический словарь / А.И. Чеботарев. - Л. : Гидрометеорологическое издательство, 1970. - 78 с.
9. Рекомендации по оценке воздействия малых водохранилищ на окружающую среду / В.М. Широков [и др.] ; под общ. ред. В.М. Широкова. - Минск : БГУ, 1994. - 112 с.
10. Максимчук, В.Л. Рациональное использование и охрана берегов водохранилищ / В.Л. Мак-симчук. - Киев, 1981. - 112 с.
11. Левкевич, В.Е. Методические рекомендации по расчету незакрепленных верховых откосов дамб и плотин на малых водохранилищах и прудах мелиоративного назначения / В.Е. Левкевич. -Минск : ЦНИИКИВР, 1989. - 36 с.
