CC BY
13БЕЗОПАСНОСТЬ КРИТИЧЕСКИ ВАЖНЫХ И ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.627
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ)
Андрей Владимирович Калачи.
Воронежский институт ФСИН России, г. Воронеж, Россия;
Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, Санкт-Петербург, Россия. Николай Степанович Шимон; Арифуллин Евгений Заудятович.
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия ш a_kalach@mail.ru
Аннотация. Представлен обзор гидросферы искусственных водных объектов, потенциально несущих в себе гидрологические риски на территории Воронежской обл. На основании статистических наблюдений за последние 10 лет морфологии потенциальной опасности при неблагоприятном развитии паводковой ситуации, с учетом величины прогнозной вероятности наводнения, в зону которого попадают объекты гражданского строительства, окружающей среды, социальной инфраструктуры, разработаны два типовых сценария развития паводковой ситуации, корректирумые в зависимости от складывающейся паводковой обстановки.
Взаимосвязь опасных факторов чрезвычайных ситуаций гидрологического характера, определение предпосылок развития опасных дестабилизирующих факторов гидрологического характера, выбор мероприятий по предупреждению и ликвидации аварий, связанных с разрушением водных объектов, представлены с позиции теории графов. Показано, что при развитии чрезвычайных ситуаций гидрологического характера наблюдается формирование дестабилизирующих факторов, которые воздействуют на население, объекты экономики и природную среду в целом.
Ключевые слова: авария, безопасность, гидротехнические сооружения, чрезвычайная ситуация, половодье, паводки, затопление, дестабилизирующие факторы, гидрологическая обстановка
Для цитирования: Калач А.В., Шимон Н.С., Арифуллин Е.З. Современные проблемы повышения безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений (на примере Воронежской области) // Науч.-аналит. журн. «Вестник С.-Петерб. ун-та ГПС МЧС России». 2022. № 2. С. 9-16.
© Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2022
9
MODERN PROBLEMS OF IMPROVING THE SAFETY OF OPERATION OF HYDRAULIC STRUCTURES (ON THE EXAMPLE OF THE VORONEZH REGION)
Andrey V. Kalach^.
Voronezh institute of the Federal penitentiary service of Russia, Voronezh, Russia; Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia, Saint-Petersburg, Russia. Nikolai S. Shimon; Evgeny Z. Arifullin.
Voronezh state technical university, Voronezh, Russia Ma_kalach@mail. ru
Abstract. An overview of the hydrosphere of artificial water bodies potentially carrying hydrological risks on the territory of the Voronezh region presented. Based on statistical observations over the past 10 years the morphology of the potential danger in the unfavorable development of the flood situation, taking into account the magnitude of the forecasted probability of flooding in the zone of which civil engineering, environmental, social infrastructure objects fall, two typical scenarios for the development of the flood situation have been developed, adjusted depending on the developing flood situation.
The interrelation of dangerous factors of hydrological emergencies, the determination of prerequisites for the development of dangerous destabilizing factors of a hydrological nature, the choice of measures to prevent and eliminate accidents associated with the destruction of water bodies presented from the perspective of graph theory. It shown that in the development of hydrological emergencies, the formation of destabilizing factors that affect the population, economic objects and the natural environment as a whole observed.
Keywords: accident, safety, hydraulic structures, emergency, high water, floods, flooding, destabilizing factors, hydrological situation
For citation: Kalach A.V., Shimon N.S., Arifullin E.Z. Modern problems of improving the safety of operation of hydraulic structures (on the example of the Voronezh region) // Nauch.-analit. jour. «Vestnik Saint-Petersburg university of State fire service of EMERCOM of Russia». 2022. № 2. P. 9-16.
Введение
В настоящее время значительное количество гидротехнических сооружений (ГТС) на территории Воронежской обл. эксплуатируются на границе либо за границей гарантийного эксплуатационного срока [1-3]. Таких объектов по учётным данным Верхне-Донского управления Ростехнадзора числилось в 2021 г. - 1 160 (подтверждены департаментом природных ресурсов и экологии Воронежской обл.), а согласно их же сведений, опубликованных за 2020 г. в Годовом докладе об охране окружающей среды в регионе, на территории области числится 2 408 прудов [4-6]. Но основная часть прудов, водохранилищ, озер образована посредством строительства ГТС. С такими случаями можно сталкиваться часто в регионе - сведения, официально учитываемые федеральным центром, часто отличаются от сведений, подготовленных научным сообществом и порой оказывающихся на официальных порталах региональных ведомств.
Актуальность исследования выражается, прежде всего, в росте количества чрезвычайных ситуаций (ЧС) гидрологического характера, возникающих на водных объектах, прудах водохранилищах, реках, с угрозой потенциальной опасности для объектов гражданского, техногенного строительства, со значительным числом поражающих факторов уровня подъема и глубин затопления водами до критического состояния поверхности, изменением морфологии скоростного напора, длительности затопления, числом жертв, пострадавших и материальным ущербом для объектов окружающей среды и сельского хозяйства.
10
Аналитическая часть
В соответствии с Федеральным законом от 21 июля 1997 г. № 117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений» [7] за безопасность ГТС отвечает собственник сооружения или эксплуатирующая организация. Но многие ГТС на территории региона в настоящее время не имеют собственника. В соответствии с данными Департамента природных ресурсов и экологии Воронежской обл. по состоянию на начало 2022 г. на территории Воронежской обл. числится 49 бесхозяйных ГТС. Такие ГТС могут нести угрозу возникновения ЧС в случае аварии, связанной с разрушением плотины и образованием волны прорыва и катастрофического затопления, так как на большинстве таких ГТС отсутствует квалифицированный персонал, документация по эксплуатации ГТС и действиям в случае аварий, страхование гражданской ответственности и т.д. ГТС в подавляющем большинстве перегорожены постоянные и временные водотоки в Воронежской обл. Водосборная площадь многих искусственных водоемов является довольно значительной, что часто приводит к переполнению водоемов и, как следствие, может повлечь разрушение плотины.
В рамках проведенного технического обследования в 2018 г. на каскаде прудов на берегу реки Икорец в Панинском муниципальном районе Воронежской обл. едва не случилась ЧС. Плотина пруда Большой Маяковский была аварийно разрушена паводковыми водами, и поток хлынул в средний пруд, который был опустошён для ремонта задвижки. Водоизмещения пруда хватило вобрать в себя воду разрушенного пруда и паводковых вод, остановить каскадную аварию. Так как ниже находился пруд Кировский с аварийным ГТС, у которого основная водосбросная задвижка не работала, устроить обводной канал было невозможно по причине того, что по гребню плотины проходила «областная» дорога, а в нижнем бьефе было расположено фермерское хозяйство по разведению рыбы.
Все три ГТС в рассмотренном каскаде на момент аварии являлись бесхозяйными (с неустановленной формой собственности).
В рамках подготовки мероприятий органами управления территориальной подсистемы Единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ТП РСЧС) к паводкоопасному периоду 2021 г. на территории Воронежской обл. межведомственной комиссией по предупреждению и ликвидации ЧС были обследованы 15 ГТС, несущих угрозу возникновения ЧС, и девять каскадов, состоящих из 29 ГТС.
В результате обследования на каждое ГТС были составлены технические описания с рекомендациями собственникам, балансодержателям или ответственным за сооружения и общий акт.
Было выявлено семь ГТС и шесть сооружений, находящихся в неудовлетворительном техническом состоянии, при разрушении плотин которых произойдут ЧС, обусловленные нарушением условий жизнедеятельности.
Для предупреждения гидродинамических аварий, связанных с разрушением плотин, рекомендуется рассмотреть следующие основные мероприятия:
- Организация до наступления стабильных заморозков сброса воды из водохранилищ (прудов) до отметок, обеспечивающих безаварийный пропуск паводковых вод через водосбросные (водозаборные) сооружения. При подготовке графиков сброса воды из водных объектов, с целью уменьшения возможных последствий от затопления территории, учитывается возможность выхода сбросных вод в одну балку (водоток), а также состояние подстилающей поверхности (промерзание почвы и наличие снежного покрова). Необходим контроль случаев форсированного (аварийного) сброса воды из водохранилищ (прудов), находящихся в каскаде, и проведение оповещения Единой дежурной диспетчерской службы районного звена ТП РСЧС хозяйствующих субъектов в нижнем и верхнем бьефе.
11
- Проведение очистки входных оголовков водосбросных (водозаборных) сооружений от мусора, а также расчистка водоотводных каналов от древесно-кустарниковой растительности.
- Проведение расчистки водопропускных и водоотводящих инженерных сооружений в населенных пунктах, расположенных в нижних бьефах ГТС, а также в створах расположения различных объектов экономики и прохождения дорог.
- Оборудование колодцев донных водоспусков люками для недопущения их разморозки в зимний период.
- Организация возможности обустройства обводного канала на случай аварийной ситуации и невозможности сброса воды через донный водоспуск.
- Организация возможности установки водосброса сифонного типа для быстрого сброса воды через гребень плотины.
Основными факторами, обеспечивающими безаварийный пропуск паводковых вод по гидрологической сети на территории области, являются:
- организация мониторинга за состоянием водных объектов;
- разработка плана действий по безаварийному пропуску паводка;
- готовность мостовых (дорожных) переходов через гидрологическую сеть (реки, временные водотоки) - их расчистка, исправность. На низководных мостах необходимо перед половодьем убирать ограждения, чтобы не создавать подпоров для реки в результате застревания карчей и мусора;
- создание резерва материальных ресурсов;
- поддержание в готовности сил и средств, предназначенных для задействования при устранении аварийных паводковых ситуаций, в том числе землеройной техники;
- очистка в населённых пунктах стоковых канав и водоприёмников систем водоотведения и ливневой канализации;
- недопущение размещения на пойменных землях свалок, отходов животноводства и других экологически опасных веществ и материалов;
- исключение попадания паводковых вод в водозаборы питьевой воды, создание запасов дезинфицирующих средств;
- обеспечение сброса вод из прудов и водохранилищ в случае подъёма уровней воды выше нормального подпорного уровня.
- согласование сбросов воды из водохранилищ с уполномоченными органами смежных областей, на территории которых могут влиять сбросные воды.
Обсуждение и выводы
Проводя анализ прохождения половодья на территории Воронежской обл. в 2021 г., можно сделать следующие заключения.
Погодные условия, сложившиеся в осеннее-зимний период на территории Воронежской обл. не способствовали развитию паводкоопасных ситуаций. На реках области повышение уровня воды началось со второй декады февраля. Водность половодья была в пределах минимальных значений. Паводкоопасный период на территории Воронежской обл. начался с марта, прогнозное вскрытие рек проходило в среднемноголетние периоды.
На основании статистических наблюдений за последние 10 лет Главным управлением МЧС России по Воронежской обл. совместно с Казенным учреждением Воронежской обл. «Гражданская оборона, защита населения и пожарная безопасность Воронежской области» были разработаны два сценария развития паводковой ситуации:
1. При крайне неблагоприятном развитии паводковой ситуации на территории области от всех рисков весеннего половодья (в том числе и стокового) прогнозировалось попадание в зону затопления 25 населенных пунктов, расположенных в 14 муниципальных образованиях (до 5 636 приусадебных участков, до 5 035 жилых домов с населением 13 415 чел.), 19 низководных мостов.
12
2. При неблагоприятном развитии ситуации прогнозировалось попадание в зону затопления шести населенных пунктов, расположенных в пяти муниципальных образованиях (до 142 жилых домов с населением 385 чел.), 14 низководных мостов.
Данные сценарии своевременно корректировались в зависимости от складывающейся паводковой обстановки.
На всех реках области ЧС, связанных с весенним половодьем за 2021 г., не произошло затопления участков дорог, приусадебных участков не зарегистрировано.
Но, несмотря на благоприятную паводковую ситуацию, оказались затопленными шесть низководных (проектно затапливаемых) мостов в шести муниципальных образованиях.
Жизнеобеспечение населения нарушено не было. В населенные пункты имелись объездные пути. Были своевременно развернуты пожарный и медицинский посты, созданы запасы продуктов питания на предприятиях торговли. Действия сил и средств Воронежской ТП РСЧС в условия развития ЧС гидрологического характера на водных объектах оказались эффективными и достаточными.
При развитии ЧС гидрологического характера наблюдается формирование дестабилизирующих факторов, которые воздействуют на население, объекты экономики и природную среду в целом. Следовательно, оценка материального ущерба будет выражаться через произошедшие последствия от данных ЧС.
Все ЧС гидрологического характера, такие как паводки, подтопления, зажоры, заторы, являются многообразными и имеют неповторимый процесс возникновения и развития по типовым стадиям:
- на первоначальной стадии возникновения аварийных ЧС С0 образуются предпосылки отклонения системы, объектов от нормального процесса и допустимых параметров, приводящих к изменению состояния эколого-техногенного бедствия;
- на первой стадии (С1) происходит распознавание вида ЧС гидрологического характера, их процесса развития, времени воздействия на техносферу и общество и заканчивающиеся резким ухудшением состояния последствий;
- на второй стадии (с2) происходит ликвидация последствий ЧС гидрологического характера конкретного вида;
- на третьей стадии (С3) осуществляется процесс ликвидации долговременных последствий, установленного вида ЧС гидрологического характера.
Как показывает статистика возникновения ЧС гидрологического характера, стадии всегда связаны с воздействием неблагоприятных факторов (НФ), имеющих внешнюю и внутреннюю угрозы происхождения: отказы оборудования; поломки; разрушения гидрологических объектов; ошибочные действия персонала; износ и старение; террористические акты, военные боевые действия и т.д.
Следовательно, существует взаимосвязь опасных факторов ЧС гидрологического характера, которая может быть представлена в виде графа (рис.).
Основными исходами развития НФ для водных объектов полагали:
М1 - предупреждение возникновения условий НФ для предпосылок гидрологического характера на водных объектах;
М2 - предупреждение непосредственного проявления НФ в конкретных условиях ЧС гидрологического характера с воздействием на водные объекты;
М3 - обнаружение НФ ЧС гидрологического характера на водных объектах;
М4 - предотвращение воздействия НФ развития ЧС гидрологического характера на водных объектах;
М5 - обнаружение воздействия НФ развития ЧС гидрологического характера на водных объектах;
М6 - недопущение распространения НФ развития ЧС гидрологического характера на водных объектах;
13
М7 - своевременная ликвидация возможных последствий НФ развития ЧС гидрологического характера на водных объектах.
Индексом «а» обозначены следующие функции - М4а, М6а и М7а, определяющие случаи возможного обнаружения НФ. Индексом «б» - те же представленные функции - М4б, М6б и М7б для прогнозного случая ЧС гидрологического характера на водных объектах.
Рис. Граф прогнозных исходов развития ЧС гидрологического характера
на водных объектах
Полагали, что каждая функция м> может иметь как положительное обоснование, так и отрицательное значение в зависимости от величины прогнозной вероятности Рили
(1 - Ргф~) наступления каждого из прогнозных событий, которые представлены на графе
С1, С2, С3 (рис.).
Тогда для события С1 не потребуется проведения подсчетов вероятности, что является нормальной ситуацией, а вот для событий С , С выражение примет следующий вид:
Р{с<2'} = ( 1 - ?! )( 1 - р2 ) [р^'( 1 - Р^) + ( 1 - Р3(»ф')( 1 - )] X
[^чй? ( 1 - РТ ) + ( 1 - «Г)( 1 - РГ')].
Р{с®} = ( 1 - ?!)( 1 - р2 ) [рз("ф'( 1 - Р?) + ( 1 - Р?)( 1 - Рф)] X
[«? ( 1-4?)+(1-«?)( 1-#')] .
14
Заключение
Таким образом, установлено, что эффективность системы управления в условиях развития ЧС гидрологического характера на водных объектах будет тем выше, чем больше вероятность правильного осуществления функций pi = (1, 2, ..., 7) [3, 8-10].
Список источников
1. Система управления спасательными формированиями при угрозе возникновения чрезвычайных ситуаций гидрологического характера: монография / А.В. Калач [и др.]. Воронеж: Воронежский ин-т ФСИН России; СПб.: С.-Петерб. ун-т ГПС МЧС России, 2018. 163 с.
2. Арифуллин Е.З., Калач А.В., Калач Е.В. Оценка эффективности действий при ликвидации чрезвычайной ситуации с использованием Марковского процесса // Вестник Воронежского института ФСИН России. 2019. № 3. С. 24-28.
3. Смородинова Т.М. Управление в чрезвычайных ситуациях на основе нечетких когнитивных технологий: дис. ... канд. техн. наук. Уфа, 2005. 164 с.
4. Доклад о государственном надзоре и контроле за использованием природных ресурсов и состоянием окружающей среды Воронежской области в 2005 году / В.И. Ступин [и др.]. Воронеж, 2006. 112 с.
5. Доклад о природоохранной деятельности городского округа, город Воронеж, в 2020 году / Г.Л. Воробьева [и др.]. Воронеж, 2021. 52 с.
6. Доклад о природоохранной деятельности городского округа, город Воронеж, в 2020 году / Н.В. Ветер [и др.]. Воронеж, 2020. 53 с.
7. О промышленной безопасности опасных производственных объектов: Федер. закон от 21 июля 1997 г. № 116-ФЗ (в ред. от 29 июля 2018 г.). Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
8. Hoeg K. Performance evaluation, safety assessment and risk analysis for dams // The Int. J. of Hydropower and Dams. 1996. Issue 6. P. 8.
9. Adaptive Random Fuzzy Cognitive Maps / J. Aguilar [et al.] // IBERAMIA 2002: Lecture Notes in Artificial Intelligence 2527. Berlin, Heidelberg, 2002. P. 402-410.
10. Margaritis М., Stylios Ch., Groumpos P.P. FSM Analyst A Fuzzy Cognitive Map Development and Simulation Tool // Workshop on Computer Science and Information Technoloies (CSIT'2002). Patras, Greece, 2002. P. 156-162.
References
1. Sistema upravleniya spasatel'nymi formirovaniyami pri ugroze vozniknoveniya chrezvychajnyh situacij gidrologicheskogo haraktera: monografiya / A.V. Kalach [i dr.]. Voronezh: Voronezhskij in-t FSIN Rossii; SPb.: S.-Peterb.un-t GPS MCHS Rossii, 2018. 163 s.
2. Arifullin E.Z., Kalach A.V., Kalach E.V. Ocenka effektivnosti dejstvij pri likvidacii chrezvychajnoj situacii s ispol'zovaniem Markovskogo processa // Vestnik Voronezhskogo instituta FSIN Rossii. 2019. № 3. S. 24-28.
3. Smorodinova T.M. Upravlenie v chrezvychajnyh situaciyah na osnove nechetkih kognitivnyh tekhnologij: dis. ... kand. tekhn. nauk. Ufa, 2005. 164 c.
4. Doklad o gosudarstvennom nadzore i kontrole za ispol'zovaniem prirodnyh resursov i sostoyaniem okruzhayushchej sredy Voronezhskoj oblasti v 2005 godu / V.I. Stupin [i dr.]. Voronezh, 2006. 112 s.
5. Doklad o prirodoohrannoj deyatel'nosti gorodskogo okruga, gorod Voronezh, v 2020 godu / G.L. Vorob'eva [i dr.]. Voronezh, 2021. 52 s.
6. Doklad o prirodoohrannoj deyatel'nosti gorodskogo okruga, gorod Voronezh, v 2020 godu / N.V. Veter [i dr.]. Voronezh, 2020. 53 s.
15
7. O promyshlennoj bezopasnosti opasnyh proizvodstvennyh ob"ektov: Feder. zakon ot 21 iyulya 1997 g. № 116-FZ (v red. ot 29 iyulya 2018 g.). Dostup iz sprav.-pravovoj sistemy «Konsul'tantPlyus».
8. Hoeg K. Performance evaluation, safety assessment and risk analysis for dams // The Int. J. of Hydropower and Dams. 1996. Issue 6. P. 8.
9. Adaptive Random Fuzzy Cognitive Maps / J. Aguilar [et al.] // IBERAMIA 2002: Lecture Notes in Artificial Intelligence 2527. Berlin, Heidelberg, 2002. P. 402-410.
10. Margaritis M., Stylios Ch., Groumpos P.P. FSM Analyst A Fuzzy Cognitive Map Development and Simulation Tool // Workshop on Computer Science and Information Technoloies (CSIT'2002). Patras, Greece, 2002. P. 156-162.
Информация о статье:
Статья поступила в редакцию: 17.03.2022; одобрена после рецензирования: 2 9.03.2022; принята к публикации: 04.04.2022 Information about the article:
The article was submitted to the editorial office: 17.03.2022; approved after review: 29.03.2022; accepted for publication: 04.04.2022
Информация об авторах:
Андрей Владимирович Калач, начальник кафедры безопасности информации и защиты сведений, составляющих государственную тайну, Воронежского института ФСИН России (394072, г. Воронеж, ул. Иркутская, д. 1-а), доктор химических наук, профессор, почетный работник сферы образования Российской Федерации, e-mail: a_kalach@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8926-3151 Николай Степанович Шимон, доцент кафедры техносферной и пожарной безопасности Воронежского государственного технического университета (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), кандидат технических наук, e-mail: nikolay_voroneg@mail.ru, https://orcid.org/0000-0001-5915-7270
Евгений Заудятович Арифуллин, доцент кафедры техносферной и пожарной безопасности Воронежского государственного технического университета (394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84), кандидат технических наук, e-mail: arif-vrn@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-7310-0753
Information about authors:
Andrey V. Kalach, head of the department of information security and protection of information constituting state secrets, Voronezh institute of the Federal Penitentiary Service of Russia (394072, Voronezh, Irkutskaya St., 1-a), doctor of chemical sciences, professor, honorary worker of education of the Russian Federation, e-mail: a_kalach@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8926-3151 Nikolai S. Shimon, associate professor of the department of technosphere and fire safety, Voronezh state technical university (394006, Voronezh, 20th anniversary of October st., 84), candidate of technical sciences, e-mail: nikolay_voroneg@mail.ru, https:/ /orcid.org/0000-0001-5915-7270
Evgeny Z. Arifullin, associate professor of the department of technosphere and fire safety, Voronezh state technical university (394006, Voronezh, 20th anniversary of October st., 84), candidate of technical sciences, e-mail: arif-vrn@mail.ru, https http://orcid.org/0000-0002-7310-0753
16
