ОЦЕНКА РИСКА НАВОДНЕНИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ АВАРИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология № 1 2019

УДК 614.8 (075.8)

Канд. биол. наук Канд. с.-х. наук Канд. тех. наук Канд. биол. наук Канд. биол. наук Канд. биол. наук

З.Е. Баязитова1 Ж.О. Тлеуова1 С.Б. Жапарова1 Л.А. Макеева1

И.Б. Фахруденова1 А.С. Курманбаева1

ОЦЕНКА РИСКА НАВОДНЕНИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ АВАРИЙ НА ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЯХ

Ключевые слова: наводнения, динамика уровня воды, межень, половодье, водные ресурсы, водохозяйственный бассейн, гидроклиматические факторы

Возникающая тенденция роста паводков и аварий на гидротехнических сооружениях обусловлена изменением климатических параметров (повышением средней глобальной температуры воздуха, увеличением количества осадков, таянием ледников) и, как следствие, изменением гидрологического режима поверхностных и подземных вод, а также усилением антропогенного давления на территорию.

Каждый год в стране наводнения наносят огромный экономический ущерб государству и, к сожалению, все еще приводят к гибели людей.

Результаты оценки риска аварий на крупнейших водохранилищах, которая определяет риск перелива воды через гребень плотины из-за отсутствия данных наблюдений за гидрологическим режимом и износом элементов плотины и водосбросных сооружений, показывают, что риск разрушения плотины из-за перелива воды в хребте в 1,5...2раза выше принятого стандарта. На основе анализа причин наводнений и аварий на гидротехнических сооружениях, а также действующих в этой области нормативных актов, были определены основные способы выявления проблем и снижения риска наводнений.

1 КГУ им. Шокана Уалиханова, г. Кокшетау, Казахстан 96

Создание водохранилищ с водной поверхностью более 100 км2 началось после 1915 г. и стало возможным в результате изменений в технологии земляных и бетонных работ, что позволило строить крупные и относительно дешевые сооружения. Но бум гидротехнического строительства приходится на последние 30...40 лет, когда было построено более 85 % всех существующих в мире плотин. Водохранилища стали неотъемлемой чертой ландшафта многих стран мира, важным элементом хозяйственной деятельности [2].

Всего в мире построено более 100000 несущих гидротехнических сооружений, а общая площадь водохранилищ превышает акваторию десяти Азовских морей. В настоящее время общий объем водохранилищ на Земле составляет 6500 км3, что в три раза превышает объем пресной воды всех рек.

Конец нашего столетия характеризуется значительными темпами освоения гидроэнергетических ресурсов и переходом от строительства преимущественно крупных резервуаров энергии к средним и даже маленьким. Сегодня не так много рек, на которых не было бы ни одного водохранилища.

Удерживающие гидротехнические сооружения доказали свою надежность и долговечность - многие из них функционируют десятки и даже сотни лет. Гидравлические конструкции, построенные в последние годы, особенно надежны в эксплуатации. Однако анализ мировой статистики и события последних лет свидетельствуют о том, что аварии на гидроэлектростанциях возможны, они могут привести к повреждению и разрушению плотин и, прилегающих к ним, сооружений.

По данным Комитета по авариям и разрушениям Международной комиссии по крупным плотинам (СИГБ), в мире ежегодно происходит более 3 тысяч аварий, часто с большим материальным ущербом и гибелью людей.

Мировая практика эксплуатации плотин и других гидротехнических сооружений (ГСТ) речных гидроэлектростанций показала, что сооружения на водохранилищах, которые испытывают давление воды, могут привести к чрезвычайным ситуациям с человеческими жертвами на больших территориях и огромным материальным ущербом в случае аварий.

Существующий опыт показывает повышенную вероятность аварий на гидротехнических сооружениях и, прежде всего, из-за прохождения паводков, превышающих расчетные проектные значения, так как период

97

наблюдения за экстремальными паводками, климатическими и антропогенными воздействиями на сток недостаточен. Среди техногенных катастроф, с точки зрения тяжести последствий и ущерба, одно из первых мест занимают гидродинамические аварии, возникающие при разрушении плотин. Эта ситуация связана как в первую очередь со слабым изучением природных условий, так и с интенсивным развитием речных долин в нижележащих бассейнах.

Другой частой причиной аварий является старение конструкций, и не восстановление их износа из-за отсутствия государственного надзора.

Резкое ухудшение качества обслуживания большинства гидротехнических сооружений в последнее десятилетие и несвоевременный ремонт водопропускных труб приводят к увеличению частоты несчастных случаев. Последнее особенно актуально для гидроагрегатов IV класса ответственности, доля которых в республике составляет более 90 % всех водохранилищ.

В республике расположено 270 крупных гидротехнических сооружений, свыше 200 водохранилищ с общей емкостью более 95,5 км3 (без учета прудов и малых водохранилищ). Более 50 % водохранилищ имеют объём 1.5 млн.м3 и лишь только 2 % водохранилищ имеют объём более млрд.м3 воды (табл. 1).

В зоне возможных катастрофических затоплений в случай аварии на ГТС находятся: Южно-Казахстанская, Восточно-Казахстанская, Западно-Казахстанская, Северо-Казахстанская, Атырауская, Актюбинская, Костанай-ская, Акмолинская, Кызылординская, Карагандинская области [6].

В Казахстане основными причинами аварии на ГТС являются превышение расчетного максимального сбросного расхода, т.е. перелив воды через гребень плотины.

О чем свидетельствует Кызылагашская трагедия (рис. 1). В результате прорыва тела плотины водохранилища в с. Кызылагаш Алматинской области, погибло 45 человек, уничтожено 449 жилых домов. Также были подтоплены 87 домов в с. Актоган и 72 дома в с. Егинсу.

Всего в республике в период с 2005 по 2018 гг. произошло 10 аварий на гидротехнических сооружениях (табл. 2).

По действующему на территории Республики Казахстан нормативному документу СНиП РК 3.04-01-2008 расчетные максимальные расходы воды надлежит принимать из ежегодной вероятности превышения (обеспеченности), устанавливаемой от класса сооружений для двух рас-98

четных случаев - основного и поверочного (табл. 3) [4].

Таблица 1

Характеристика крупных водохранилищ Казахстана

Название гидроузла

§ р

е

д £

Река/ Бассейн

Тип плотины

3 6

Л £

0 I

д

Бадам 1974 Бадам Земляная 43 1152 2930 61

Буктырма 1960 Ертис Бетонная гравитационная 90 380 1170 49800

Верхне-

Тобольский 1977 Тобол Земляная 42 4360 26300 861

Капшагай 1970 Иле Земляная намывная 52 840 6220 28100

Каргалинский 1969 Каргалы Земляная 35 325 947 280

Медео 1966 Киши Алматы Каменно-набросная 144 530 8500 12,6

Селетинский 1965 Селеты Земляная 35 2508 15100 230

Ташуткуль 1974 Шу Земляная насыпная 28 5895 5000 620

Терс-Ащибулак 1963 Терс Земляная 29 1890 2100 158

Усть-

Каменогорский 1952 Ертис Бетонная 65 390 330 630

Шардарьинскй 1965 Сырдария Земляная 27 5400 9528 6700

Шульбинский 1987 Ертис Земляная насыпная 36 570 2700 2390

Коксарайский

контррегулятор 2011 Сырдария Земляная 10...П 44700 3,0

Рис. 1. Последствия аварии на Кызылагашском водохранилище.

Таблица 2

Аварии, произошедшие на гидротехнических сооружениях в

2005.2018 гг.

№ Дата Последствия

1 Март В 3,5 км ниже Казалинского гидроузла произошел раз-

2005 г. мыв левобережной дамбы реки вследствие заторных

явлений. Из населенных пунктов Абай и Уркендеу, на-

ходящихся под угрозой затопления, была проведена

эвакуация 723 чел.

2 Май Из-за сильных осадков и паводковых вод в микрорай-

2009 г. оне Шанырак-2 г. Алматы произошел прорыв насып-

ной дамбы. В результате были затоплены 20 жилых

домов, 2 дома разрушены.

3 Июль В г. Алматы произошел прорыв берега оросительного

2009 г. канала «Аламан» у с. Акбулак. В результате были под-

топлены участки 27 домов.

4 Февраль Из-за большого притока талых вод в Куртинское водо-

2010 г. хранилище, создалась угроза прорыва плотины. Была

проведена эвакуация 6000 жителей нижней части

с. Акши и 60 жителей нижней части с. Курты.

5 Март В Каратальском районе Алматинской области произо-

2010 г. шел размыв дамбы, в результате чего было подтоплено

140 дворов (820 чел.) с. Жылбулак.

6 Март В Алматинской области в с. Кызылагаш произошел

2010 г. прорыв плотины водохранилища Ак-Ешке, в результа-

№ Дата Последствия

те чего подтопило 467 дворов (пострадало 2749 чел.),

ниже расположенную станцию Егинсу и окрестности.

В результате прорыва уничтожено 80 % зданий, разру-

шено 460 жилых домов. Произошло крушение моста на

автодороге республиканского значения Алматы-Усть-

Каменогорск, размыло участок железнодорожного по-

лотна сообщением Сарыозек-Уштобе. Кроме того, по-

страдали населенные пункты Актогай и Егинсу. Общее

количество населения, понесшего материальный ущерб

составило 3861 чел., потеря жилого фонда - 631 дом.

7 Апрель В Акмолинской области в с. Балкашина произошел

2011 г. прорыв плотины на р. Жабай, в результате чего было

подтоплено 70 дворов с. Балкашина.

8 Март В Карагандинской области в с. Кокпекты, в результате

2014 г. размыва дамбы талыми водами, было затоплено около

100 домов, 4 чел. погибли.

9 Апрель Защитную дамбу прорвало в г. Атбасар Акмолинской

2016 г. области, из-за повышения уровня воды в р. Жабай про-

изошел прорыв шириной 4 м в теле защитной дамбы.

Подтопленными оказались более 400 домов, эвакуиро-

вано 1374 чел.

10 Январь В Сырдарьинском районе Кызылординской области из-

2018 г. за резкого потепления р. Сырдарья пробила защитную

дамбу в районе аула им. Калжан Ахуна и затопила бо-

лее двух тысяч га сельхозугодий.

В настоящее время в международной практике принято вести оценку безопасности плотин по допускаемой степени риска, нормативные значения которых в 3 и более раз ниже расчетных по СНиП РК 3.04-012008, который гарантирует только пропуск максимальных расходов не выше принятой расчетной обеспеченности исходя из класса сооружений.

Разработка собственной методики экспертного масштаба для условий Республики Казахстан требует сбора статистических данных и результатов технической экспертизы сооружений. В настоящее время в республике отсутствуют нормативные документы, регулирующие оценку степени риска для безопасности гидротехнических сооружений, требования к

владельцам по обеспечению безопасности и мониторинг состояния сооружений.

В Российской Федерации на основе сбора и анализа данных были получены надежные количественные оценки для аварий, как для классов плотин (грунт, бетон, арки, опоры), так и по причинам аварий в каждом классе. На этой основе были разработаны методологические принципы оценки риска аварий, в том числе для структур III и IV классов ответственности, которые используются при разработке деклараций безопасности и их экспертизе [4].

Рекомендуемые А.Б. Васильевым и Ю.Б. Мгалобеловым в [3] значения коэффициента устойчивости (Ку) и нормативные риски для грунтовых плотин по Д.В. Стефанишину [3] приведены ниже в табл. 4. Сравнение данных, приведенных в табл. 3 и 4, показывает, что при проектировании в советский период по СНиП 2.06.01-86 безопасность ГТС обеспечивалась принятием расчетной пропускной способности сбросных сооружений при плотинах не ниже заданной вероятности превышения и регламентируемыми коэффициентами запаса и надежности [5].

Таблица 3

Ежегодная вероятность превышения расчетных максимальных расходов воды в зависимости от класса сооружения

Расчетный слу- Класс сооружений

чай I II III IV

Основной 0,1 1,0 3,0 5,0

Поверочный 0,01* 0, 0,5 1,0

Примечание: * - с учетом гарантийной поправки, в соответствии со СНиП

2.01.14-83.

Таблица 4

Нормативные риски и коэффициенты надежности (Лге), устойчивости земляных плотин разных классов ответственности (по СНиП РК 3.04-01-2008

и СНиП 2.06.01-86)

Класс ответственности по СНиП 3.04.01-2008 К По нормам 1/год

Основное сочетание нагрузок Особое сочетание нагрузок Нижний предел Верхний предел

I 1,25 1,56 1,41 3-10-5 5^10-5

II 1,20 1,50 1,35 4 10-4 5^10-4

III 1,15 1,44 1,30 3 10-3 4 10-3

IV 1,10 1,38 1,24 5 10-3 6 10-3

При этом для сооружений III и IV классов ответственности не учи-

тывались гарантийные поправки на возможные ошибки из-за недостаточности ряда наблюдений за расходами, что нередко является причиной аварий. Последнее особенно актуально для грунтовых плотин, когда проектный расход сбросного сооружения не соответствует расходам нормированной обеспеченности из-за недостаточности ряда гидрологических наблюдений, а перелив через гребень грунтовой плотины всегда приводит к ее разрушению. Например, в 2011 г. на р. Жабай в Акмолинской области из-за прорыва плотины в с. Балкашино было подтоплено 70 дворов (рис. 2).

Рис. 2. Последствия прорыва плотины на р. Жабай.

Проведены расчеты по оценке безопасности для наиболее крупных 45 плотин, размещенных в бассейнах рек Казахстана, разрушение которых могут привести к человеческим жертвам и крупным ущербам. При расчете были приняты в основу методические положения, рекомендованные в [5] для оценки критерия степени риска разрушения плотины при технической экспертизе. В виду отсутствия геологических данных и данных технического обследования состояния элементов гидроузла, расчет степени риска возникновения аварии на гидротехническом сооружении проводили по двум показателям: по коэффициенту надежности определения расчетного расхода заданной обеспеченности и коэффициенту технической надежности сооружения.

Результаты оценки риска аварий на наиболее крупных водохранилищах, определяющей риск перелива воды через гребень плотин из-за недостаточности данных наблюдений за гидрологическим режимом и износом элементов плотины и водосбросных сооружений показывают, что риск разрушения плотины из-за перелива воды через гребень в 1,5.2 раза

выше против принятого по нормативу в проекте [5]. Так степень риска составляет:

- для водохранилищ, расположенных в бассейне р. Нура. При расчете риска аварии Интымакского водохранилища возможный расчетный приток определялся, как сумма расходов водосбросов Самаркандского и Шерубайнуринского гидроузлов при форсированном подпорном уровне и расхода притока между Шерубайнуринским и Интымакским водохранилищами 0,1 % обеспеченности с учетом гарантийной поправки. Риск разрушения плотин Самаркандского и Шерубайнуринского водохранилища в 1,6.1,7 раза выше нормативного, а Интымакской плотины водохранилища - в 1,3 раза. Для плотин IV класса, построенных в 1930.1950 гг. (водохранилища Жартасское, Краснополянское и Ботакора), степень риска разрушения высокая и превышает нормативные значения в 2.2.5 раза. Для плотин IV класса, построенных после 1980 г., степень риска составляет 0,015.0,016 1/год, что в 1,5 раза больше нормативного значения.

- для водохранилищ, расположенных в бассейне реки Есиль. Риск разрушения плотин выглядит следующим образом: Вячеславское водохранилище - 0,0016 1/год, против нормативного - 0,001 1/год, или 1 авария в 625 лет против 1 аварии в 1000 лет; Сергеевское водохранилище -0,0081 1/год, против нормативного 0,005 1/год, или 1 авария в 124,4 года, против 1 аварии в 200 лет. Риск аварий для плотин III и IV класса ранней постройки в 1958.1960 гг. (Ишимское, Берсуатское водохранилища) -0,02 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 50 лет против 1 аварии в 100 лет; для плотин IV класса, построенных в 1970. 1980 гг. (водохранилища Чаглинское, Карабулакское и Кенетай) - 0,015.0,016 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 62.67 лет г против 1 аварии в 100 лет по нормативу [1].

- для водохранилищ, расположенных в бассейне рек Торгай-Иргиз. Риск аварии для плотин IV класса ранней постройки (1960.1970 гг.) -0,015.0,016 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 65.60 лет, против 1 аварии в 100 лет; для плотин IV класса, построенных в 1980.1990 гг. - 0,013.0,014 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 75.70 лет, против 1 аварии в 100 лет по нормативу.

- для водохранилищ, расположенных в бассейне реки Орал. Риск аварии для плотин IV класса ранней постройки (1960.1970 гг.) -0,015.0,018 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 65.60 лет, против 1 аварии в 100 лет; для плотин IV класса, построенных 104

в 1980.1990 гг., 0,013.0,014 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 75.70 лет, против 1 аварии в 100 лет. В худшем положении находится плотина Сарычаганского водохранилища, построенная в 1937 г. Степень риска составляет 0,0254, что в 2,5 больше нормативного.

- для водохранилищ, расположенных в бассейне реки Сырдария. Риск аварии на Шардаринском водохранилище составляет 0,0017, что не соответствует нормативу - 0,001. Степень риска по Бугуньскому водохранилищу несколько выше нормативного значения - 0,013.

- для водохранилищ, расположенных в бассейне реки Тобол. Риск аварии на Желкуарском гидроузле равна 0,022 или 1 авария в 46 лет, что выше нормативного более чем в 2 раза. Риск разрушения плотин Верхнее-Тобольского и Каратомарского водохранилищ в 1,2.1,3 раза больше нормативного. Для плотин IV класса, построенных в 1970. 1980 гг. (водохранилища Карабулакское и Кенетай) - 0,015.0,016 1/год, против нормативного 0,01 1/год, или 1 авария в 62.67 лет, против 1 аварии в 100 лет по нормативу.

- для водохранилищ, расположенных в бассейне реки Иле. Риск аварии плотины Капшагайского водохранилища соответствует нормативу - 0,0001, что обеспечивает наличие большой свободной емкости при снижении нормального подпорного уровня на 6 м. Степень риска по Барто-гайскому водохранилищу несколько выше нормативного значения -

0.00013. по Бестюбинскому водохранилищу в период строительства - 0,01, что ниже норматива III класса ответственности и соответствует IV классу ответственности. На Куртинском водохранилище - 0,0847, что 1,7 раза больше норматива III класса ответственности.

Анализируя рассматриваемые проблемы можно сделать вывод, что безопасность водохозяйственного комплекса Республики Казахстан в целом остается не решенной и представляет угрозу национальной безопасности. В этой связи все очевиднее становится тот факт, что необходимо принять экстренные меры по комплексному решению проблем водохозяйственного комплекса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций. - Алматы:ТОО «Институт географии», 2010. - С. 89-91.

2. Бузин В.А. Опасные гидрологические явления: учебное пособие для вузов. - СПб: РГМУ, 2008. - 227 с.

3. Василевский А.Б., Мгалобелов Ю.Б. О нормировании безопасности гидротехнических сооружений при проектировании // Гидротехнические строительство. - М.: ВНИИ ВОДГЕО, 1993. - № 12. - С. 412.

4. Водный кодекс Республики Казахстан от 9 июля 2003 года № 481 // "Казахстанская правда" от 17 июля 2003 года № 206-207.

5. Кусаинов А.Б., Тлеуова Ж.О., Байжанов Е.А., Шаймерденова З.М. Мониторинг и прогнозирование наводнений: учебное пособие для бакалавров по специальности «Безопасность жизнедеятельности и защиты окружающей среды». - Кокшетау: КУАМ, 2017. - 155 с.

6. Семенов В.А., Кобозева Г.Л., Коршунов А.А., Волков А.А., Шамин С.И. К вопросу создания информационного обеспечения оценки климатически обусловленных изменений повторяемости опасных и неблагоприятных гидрологических явлений на реках. // Труды ВНИИГМИ-МЦД. - 2017 - Вып. 172. - С.132-139.

Поступила 19.02.2019

Биол. гылымд. канд. З.Е. Баязитова

Ауыл шаруаш. гылымд. канд. Ж.О. Тлеуова

Техн. гылымд. канд. С.Б. Жапарова

Биол. гылымд. канд. Л.А. Макеева

Биол. гылымд. канд. И.Б. Фахруденова

Биол. гылымд. канд. А.С. Курманбаева

ГИДРОТЕХНИКАЛЬЩ ;¥РЫЛЫСТАРДАГЫ АПАТТАРДЬЩ САЛДАРЫНАН СУ ТАСЦЫНЫНЬЩ БОЛУ ;АУП1Н

БАГАЛАУ

Тушн свздер: су тас^ыны, су децгешнщ динамикасы, су агыны, судьщ толуы, су ресурстары, су ^оймасы, гидроклиматтьщ факторлар

Цысым тYрiндегi гидравликалыц цурылымдарда су тасцыны мен апаттардыц всу Yрдiсi климаттыц взгеруiмен байланысты (орташа ауа райы температурасыныц улгаюы, жауын-шашынныц улгаюы, муздацтардыц еру^ жэне соныц салдарынан жер Yстi жэне жер асты суларыныц гидрологиялыцрежимшц взгеруi (судыц ылгалдылыгы, су тасцыны, суару, бузылу, агынды сулардыц тепе-тецдт), сондай-ац аумацтыц геоэкологиясы бойынша техногендт цысымныц артуы байцалып отыр.

№bw cauun ende cy mac/unu MeMneKem Ywin YnKen экoнoмuкanuц 3anan SKenyMen /amap OKiniwKe opau, sni de eniMse SKenedi.

rudponosuanbi/ pewuMdi wsne 6esem эneмeнmmepiн wsne cy mesemin /YPbWbmdapdbi 6a/binay mypanbi depeKmepdiy 6onMaybi candapbinan 6esem ap/binbi cydbiy asbiny K/a,ynin anbi/maumbin ey YnKen cy /ouManapbindazbi anammapdbiy msyeKendi 6amnay nsmuwenepi maydazbi cydbiy mesinyine 6aunanucmu moc/aybindbiy 6y3biny /aynin Kepcemedi. Cy 6esemi ap/binbi ememin 6esemmiy 6y3biny /ayni cmandapmmapm csuKec цa6blnдaнгaннaн 1,5...2 ece wosapbi rudpomexnumnbi/ K^pmnmMdapdazm cy mac/binbi Men anammapdbiy ce6enmepin, condau-a/ ocrn canadasbi /ondanbicmasbi nopMamuemiK aKminepdi manday nesi3inde onapdbiy andbin any wsne cy mac/binbinbiy meMendey npo6neManapbin memydiy nesi3si mscindepi anbi/mandbi.

Z.E. Bayazitova, Zh.O. Tleuova, S.B.Zhaparova, L.A.Makeeva, I.B. Fakhrudenova, A.S. Kurmanbaeva RISK ASSESSMENT OF FLOOD AS RESULT OF ACCIDENTS AT HYDROTECHNICAL CONSTRUCTIONS

Keywords: floods, water level dynamics, low water, flood, water resources, water basin, hydro-climatic factors

The emerging trend of growth offloods and accidents at hydraulic structures of the pressure type is caused by changing climate parameters (increase in average global air temperature, increase in rainfall, melting of glaciers) and, as a result, change in the hydrological regime of surface and ground waters, as well as increasing man-made pressures on the geo-ecology of the territory.

Every year in the country, floods cause tremendous economic damage to the state and, unfortunately, still lead to death.

The results of the risk assessment of accidents at the largest reservoirs, which determines the risk of water overflow through the dam crest due to the lack of data on observations of the hydrological regime and wear of the dam elements and spillway structures show that the risk of destruction of the dam due to water overflow in the ridge 1.5 - 2 times higher against the accepted standard. Based on the analysis of the causes of floods and accidents at hydraulic structures, as well as the current

regulatory acts in this area, the main identification ways to solve problems of their prevention and flood risk reduction were established.