Методика оптимизации инженерной защиты земель от затопления при создании водохранилищ гидроузлов

Актуальность темы

За последние полвека на реках мира построено около 800 тыс. плотин, из которых около 50 тыс. — выше 15 м [89]. Наиболее активное строительство велось в Китае, где в настоящее время насчитывается более 20 тыс. больших бетонных плотин [21]. В России достигнутая степень освоения экономических гидроресурсов составляет лишь 20,7%. По этому показателю Россия заметно уступает развитым странам: Германии (95%), Франции (95%), Италии (95%), Великобритании (90%), Японии (84%), США (82%), Канаде (65%).

В настоящее время в соответствии со схемой освоения гидроэнергетического потенциала РФ намечено около 600 перспективных створов для строительства гидроузлов. Актуальная информация имеется только по 67 створам. Информация по большинству створов недостаточна, либо устарела и неточна [45,73].

Для подготовки инвестиционного процесса открытия строительства речных гидроузлов, модернизации существующих гидроузлов с повышением отметок нормального подпорного уровня (НПУ), необходимо, в том числе, актуализировать информацию по проектируемым водохранилищам, произвести оценку воздействия водохранилищ на окружающую средупроанализировать значимость водохранилищ для развития региона (развитие транспортной инфраструктуры, рекреационных зон, увеличение площади орошаемых земель и др.). Важная роль в рамках этих работ отводится вопросам оптимального использования земель, выделенных под строительство водохозяйственных объектов. В связи с принятием нового земельного законодательства и ростом стоимости земли при строительстве гидроузлов в новых условиях особую роль играет не только площадь затопления, но и категория земель, попадающих в зону затопления/подтопления, а также стоимость этих земель. Кроме того, при определении границ зон затопления необходимо учитывать особо охраняемые территории, населенные пункты различной значимости, объекты инфраструктуры и другие аспекты. В некоторых случаях значимость отдельных объектов, попадающих в зону отчуждения настолько высока, что сразу же возникает необходимость строительства защитных сооружений.

Также в последние годы необходимо учитывать возрастающую роль общественного мнения. Происходит изменение требований к инженерным решениям в области водохозяйственного строительства, возрастают экологические требования. Общественность требует изучать все более широкий спектр альтернативных проектов. При этом ответственность за принятие решений уже разделяется между инженерами и общественно-политическими деятелями.

Таким образом, при анализе мероприятий в зоне водохранилищ, для рационализации водохозяйственного планирования и эксплуатации водных ресурсов необходимо учитывать весь комплекс интересов потребителей, целей производителей, критериев надежности и социально-экологической безопасности, а также учитывать общественные требования. Необходим системный подход и комплексный учет отрицательных и положительных эффектов гидротехнического строительства, в том числе отложенных. При этом для каждого водохранилища требуется учет конкретных особенностей региона строительства, хозяйственной освоенности затапливаемой территории, гидрологических режимов рек, формирующих водохранилище, топографии региона и др. При проектировании водохранилищ требуется решать множество связанных друг с другом инженерных и экономических задач. Одна из таких задач — защита территорий от затоплений и подтопления. Защита требуется для обеспечения берегоукрепления, защиты объектов хозяйственной деятельности, снижения площадей затопления, снижения количества мелководий, где особенно ярко выражены процессы эвтрофи-рования.

Основным средством инженерной защиты территорий от затопления являются дамбы обвалования (рис. 1). С увеличением протяженности дамб обвалования, уменьшается площадь отчуждаемых из оборота земель, но при этом возрастают и затраты на их строительство и эксплуатацию.

Рис. 1. Ограждающая дамба в системе инженерной защиты земель (зона водохранилища Чебоксарского гидроузла, п.

Лысково).

Согласно Водному Кодексу РФ [Приложение 1, п. 68] (ст. 45,46) на этапе проектирования гидроузла должны быть разработаны мероприятия, предотвращающие неблагоприятные последствия: выбор места (створа) плотины и отметки НПУ, обеспечивающей наименьшие площади затопления земельсанитарная подготовка земель к затоплению, включающая сведение леса, перенос кладбищ, скотомогильников, обеззараживание земельзащита земель от затопления посредством обвалованияуборка территории по окончании строительствасоздание приемлемой ландшафтной обстановки в районе гидроузлазащита земель от подтопления посредством берегового дренажа и мелиорацииразработку режима водохранилищ.

Тем не менее, вопросам защиты земель от затопления и подтопления при создании энергетических гидроузлов и водохранилищ в наше стране уделяется недостаточное внимание. Обваловано всего около 6% затопленных сельскохозяйственных угодий, в то же время на некоторых водохранилищах Волжско-Камского каскада доля мелководий в площади затопленных земель составляет до 30%. Сокращение площади водохранилищ за счет применения развитых систем инженерной защиты может позволить сократить потери на испарение, фильтрационные потери, ввести в оборот тысячи гектаров плодородных земель, и в то же время, не приведет к существенным потерям выработки гидроэлектростанций.

Для решения задач, связанных с оптимизацией инженерной защиты земель, комплексным использованием водных ресурсов требуется учет большого количества факторов, имеющих географическую привязку. При решении задач на предыдущем этапе развития гидротехники предпринимались попытки их комплексного учета, но ограниченные возможности существовавших ЭВМ и информационных систем не позволяли создавать детальных моделей водохозяйственных систем. В настоящее время это возможно благодаря использованию инструментария геоинформационных (ГИС) и систем автоматизированного проектирования (САПР, CAD) систем.

Исходя из вышесказанного, в настоящее время чрезвычайно важно развивать новые научно-технологические подходы к решению задач по оптимизации инженерной защиты земель в зоне водохранилищ с учетом действующих методик по расчету ущербов, норм проектирования систем инженерной защиты, современных подходов к оценке инвестиционных проектов, гидравлических моделей по расчету паводков и методов оценки рисков.

Объект исследования — водохранилища гидроузлов и сооружения инженерной защиты территорий от затопления.

Предмет исследования — разработка и совершенствование методов оценки влияния гидротехнического строительства на прилегающие территории и проектирования сооружений инженерной защиты от затоплений при создании водохранилищ.

Работа относится к п.п. 5, 9, 11 специальности 05.23.07 — Гидротехническое строительство и п.п. 5 и 10 специальности 05.23.16 — Гидравлика и инженерная гидрология.

Методы исследования — системный подход к оценке воздействия водохранилищ на окружающую среду, аналитический обзор нормативно-технической документации, графическое моделирование с использованием геоинформационных систем и систем автоматизированного проектирования, вероятностные методы, методы численных гидравлических расчетов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Проведена постановка задачи оптимизации инженерной защиты земель на основе комплексного подхода, включающего использование: геоинформационных технологийактуализированных методик оценки ущербов и современных методик учета риска при переливе потока через дамбы обвалования.

2. Обоснованы, разработаны и апробированы алгоритмы использования современных систем автоматизированного проектирования и ГИС для совершенствования инженерной защиты земель на различных этапах создания водохранилищ: от стадии обоснования инвестиций до рассмотрения вариантов реконструкции гидроузлов.

3. Впервые предложен подход по использованию расчетного комплекса НапсоскЗБ, интегрированного с ГИС, для расчета пропуска через водохранилище паводков редкой повторяемости, позволяющий осуществлять прогнозы воздействия сооружений инженерной защиты на гидравлический режим и окружающую среду в зоне затопления.

4. Разработана методика рационального выбора параметров системы дамбообвалований территорий от затопления и трасс их прохождения на основе решения оптимизационной задачи.

5. Разработана методология создания геоинформационной аналитической системы для выполнения оценок ресурсного обеспечения строительства гидроузлов.

Достоверность результатов обеспечивается использованием наиболее актуальных данных о местности: космоснимков, спутникового радарного и воздушного лазерного сканированиясертифицированных программ для обработки этих данных (АгсОК, Мар1пАэ) — сертифицированного гидравлического комплекса Напсоск20 по расчету волн прорыва. Достоверность подтверждена удовлетворительным совпадением свободной поверхности в контрольных створах, полученных на расчетной модели, с данными наблюдений водомерных постов в нижнем бьефе (НБ) Саяно-Шушенской ГЭС.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных в ней результатов для строительства и реконструкции водохранилищ при наиболее полном учете географических, экологических и экономических факторов. Отдельные составляющие разработанной методики были использованы при выполнении проекта «Обоснование Инвестиций в строительство Канкунской ГЭС" — решении тестовых задач, связанных с проектом инженерной защиты земель в зоне водохранилища Чебоксарского гидроузлаоценке эффективности работы защитных сооружений в нижнем бьефе Саяно-Шушенской ГЭС при паводках редкой повторяемостивыполнении научно-исследовательской работы «Сценарии развития гидроэнергетики России на период до 2020 и на перспективу до 2050 года».

Личный вклад автора заключается в постановке задач исследований по развитию методов оценки влияния гидротехнических сооружений на прилегающие территориипостроении алгоритма для связи функции оптимизации с параметрами дамб обвалованийинтеграции существующих гидравлических моделей в ГИС-системырешении ряда практических задач с использованием развитых в диссертации методик.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизационная задача по выбору параметров дамб обвалования на основе технико-экономических, социальных и экологических критериев, а также с учетом риска разрушения сооружений инженерной защиты при изменении гидрологических режимов.

2. Методы совершенствования инженерной защиты при создании водохранилищ на основе использования уточненных гидравлических моделей, современных методик технико-экономического сопоставления вариантов, геоинформационных систем.

3. Дополненная классификация систем инженерной защиты.

4. Алгоритм автоматизированного выбора параметров дамб в системах защиты земель при создании водохранилищ.

5. Методика по использованию расчетного гидравлического комплекса Hancock2D совместно с ГИС, позволяющая наносить зоны затопления на космоснимки, топографические и электронные карты с целью анализа последствий затопления, минимизации ущербов и корректировки конструктивных решений по дамбам.

6. Методология создания геоинформационной аналитической системы для выполнения оценок ресурсного обеспечения строительства гидроузлов.

Апробация работы.

Содержание и результаты исследований докладывались и обсуждались на секции «Основания и грунтовые сооружение» Ученого Совета ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, на III, IV и V конференциях «Гидроэнергетика. Новые разработки и технологии" — VIII Международной конференции «Лазерное сканирование и цифровая аэросъемка. Сегодня и завтра» (Москва, 9 — 11 декабря 2008 г.) — V Международной конференции «Городские агломерации на оползневых территориях» (г. Волгоград, 22 — 24 сентября 2010 г.) — Международной научно-технической конференции «Управление рисками в условиях глобализации-2010» (Москва, ФГОУ ВПО «Московский Государственный Университет природообустройства», 26 — 27 октября 2010 г.

По материалам диссертации опубликовано 6 статей, том числе работы из перечня изданий, рекомендуемых ВАК РФ для публикаций по кандидатским диссертациям-6. Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения, списка литературы и Приложений.

Выводы по главе 4.

В данном разделе представлены результаты, полученные при использовании отдельных составляющих разработанного подхода.

Показаны результаты использования данных воздушного лазерного сканирования, при выполнении анализа зависимости площади и объема водохранилища Канкунской ГЭС от НПУ. При этом, сделан вывод о возможностях сокращения времени и объема полевых работ по сравнению с традиционным способом актуализации топографических карт и их обработки при возможности получения более точных исходных данных для выполнения работ по оптимизации мероприятий в зоне водохранилища. Представлены результаты расчетов ущербов от затопления водохранилища, полученные при использовании современных методик. Показана количественная оценка возросшей в настоящее время стоимости земель, аренды земель в зоне водохранилищ в процессе проектирования. Продемонстрированы возможности по анализу попадания объектов в зону водохранилища с использованием ГИС.

Представлены результаты интеграция в ГИС численных гидравлических моделей для расчета параметров волны прохождения паводка заданной обеспеченности в НБ Саяно.

Шушенской ГЭС, расчета зоны возможного затопления и оценки эффективности сооружений инженерной защиты земель в НБ. Приведены примеры уточнения исходных данных для цифровой модели рельефа с помощью географически привязанных карт, топографических планов, космоснимков. Выполнено сопоставление данных по положению отметок свободной поверхности с данными наблюдений водомерных постов, на основе которого сделан вывод: для повышения точности расчетов целесообразно использовать топографические данные на основе карт масштаба 1:25 000 и 1:50 000, данные космической радарной съемки высокого разрешениянеобходимо учитывать динамику сброса воды из Красноярского водохранилища при пропуске паводка в р. Енисей в соответствии с правилами использования водных ресурсов бассейна р. Енисей. Кроме того, приведены примеры выполнения оценок вероятности разрушения дамб обвалования при переливе через гребень при пропуске расходов редкой повторяемости в НБ Саяно-Шушенской ГЭС.

Для тестовых участков водохранилища Чебоксарского гидроузла показан пример сопоставления стоимости работ по доведению дамб обвалования до проектных отметок с величиной ущербов при разрушении дамб паводком редкой повторяемости.

В завершении Главы 4 представлены результаты применения разработанной методологии для задач по оценке ресурсного обеспечения программ гидротехнического строительства. Сделан вывод о том, что оценка ресурсного обеспечения проектов строительства инженерной защиты с помощью предлагаемой методологии позволяет на ранних стадиях выявлять риски нехватки ресурсов и риски увеличения затрат по проектам.

Разработки выполнены с использованием действующих нормативов по оценке ущерба в зоне водохранилищ, действующих норм проектирования сооружений инженерной защиты, современных подходов к оценке риска от прорыва дамб. В качестве инструментария использован AutoDesk Civil 3D для построения моделей дамб, ArcGIS для расчета ущербов от затопления и предотвращенных ущербов, Energylnvest для оценки экономической эффективности проектов инженерной защиты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполнен анализ литературы по комплексному использованию водохранилищ, в том числе, по технико-экономическому и экологическому обоснованию проектов их создания. Изучена практика строительства систем инженерной защиты земель. В результате показана необходимость разработки методики рационального выбора решений по дамбообвало-ваниям, позволяющей более полно и точно учитывать рельеф местности, пространственное расположение объектов, риск затопления территорий при разрушений дамб обвалования паводками редкой повторяемости.

2. Уточнены и систематизированы сведения по: классификации способов инженерных сооруженийрассмотрению преимуществ и недостатков их сооруженияметодикам оценки ущерба при создании водохранилищнормативной базе при создании водохранилищ и ее современных тенденцияхиспользованию гидравлических моделей пропуска паводков редкой повторяемости.

3.Изучена и проанализирована информация о применении геоинформационных систем в различных областях и обоснована и реализована возможность их использования на различных этапах выполнения проектов гидротехнического строительства.

4.Поставлена оптимизационная задача по выбору параметров дамбообвалования на основе технико-экономических, социальных, экологических, гидрологических факторов, а также с учетом риска разрушения дамб обвалования.

5.Разработана методика рационального выбора инженерной защиты на базе оптимизационного функционала, использующая в качестве инструментария современные ГИС и CADсистемы.

6.Показано, что технология воздушного лазерного сканирования, дополненная цифровой аэрофотосъемкой, интегрированная в ГИС-системы дает значительные преимущества по сравнению с традиционными методами на различных стадиях проектирования гидроузлов.

7. Указано на возросшую в настоящее время роль стоимости земель и затрат на аренду земель при оценке затрат на мероприятия в зоне водохранилища. Продемонстрирована возможность расчета стоимости затопленных/подтопленных земель на основе их кадастровой оценки. Продемонстрировано влияние фактора времени при проведении технико-экономического сопоставления вариантов инженерной защиты.

9.Разработан алгоритм автоматизации выбора параметров сооружений инженерной защиты.

10.Для выполнения оценок риска разрушений сооружений инженерной защиты на основе выполнения гидравлических расчетов по пропуску паводков редкой повторяемости разработан подход по интеграции в ГИС численных гидравлических моделей (Hancock 2D, MIKE21) и показаны возможности его применения на примерах.

11 .Показаны возможности по использованию инструментария ГИС-систем для задач по оценке ресурсного обеспечения программ гидротехнического строительства.

12.Приведены результаты применения разработанных методик и технологий для решения задач, связанных как с проектами нового гидротехнического строительства, его ресурсного обеспечения, так и с проектами изменения отметки НПУ существующих гидроузлов.