Необходимость системы постоянного мониторинга водопроводящих сооружений для рационального водопользования на юге России

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Необходимость системы постоянного мониторинга водопроводящих сооружений для рационального водопользования на юге России

Бандурин М.А.

Новочеркасск

Аннотация

В данной статье рассмотрены вопросы рационального водопользования на юге России. Представлена необходимость реализации новых систем постоянного мониторинга применительно к длительно эксплуатируемым водопроводящим сооружениям. В настоящее время более 80 % водопроводящих сооружений на юге России отработали значительно свой нормативный срок эксплуатации. В то же время отмечается одновременное возрастание нагрузки на стареющие гидротехнические сооружения, что при отсутствии необходимых квалифицированных кадров и технической ремонтной базы неизбежно приведёт к росту числа аварий, обусловленных эксплуатационными причинами.

Ключевые слова: мониторинг, водопроводящие сооружения, остаточный ресурс, рациональное водопользование, параметры надежности, технические состояние.

Российская Федерация (РФ) стабильно входит в группу стран мира, наиболее обеспеченных водными ресурсами. Это касается не только общих запасов и возобновляемых ресурсов, но и удельных значений (в расчете на 1 жителя и др.). Однако, располагая столь значительными водными ресурсами и используя в среднем не более 2 % речного стока ежегодно, РФ в целом ряде регионов испытывает дефицит в воде.

На наиболее освоенные районы европейской части РФ, где сосредоточено до 80 % населения и производственного потенциала, приходится не более 10-15 % водных ресурсов. По величине местных и приходящих водных ресурсов Федеральные округа (ФО) РФ различаются во много раз, так например Крымский, Северо-Кавказский и Южный ФО являются самыми менее обеспеченными [1]. Республики Калмыкия - 1.1 км³/ год, Ингушетия - 1.7 км³/ год, г. Севастополь - 1.1 км³/ год находятся в зоне опасных показателей, а вот республики Крым - 26.1 км³/ год, Адыгея - 14.1 км³/ год, Карачаево-Черкесская - 6.1 км³/ год, Северная Осетия - Алания - 8.1 км³/ год, Ставропольский край - 6.0 км³/ год и др. также испытывают большой дефицит воды.

Согласно данным Водного кадастра РФ за 2014 год (Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество) [2, 3] происходит многолетние катастрофическое снижение общих водных ресурсов на юге РФ (табл. № 1).

Таблица 1 Характеристики водных ресурсов на юге РФ за 2014 г.

Основой водных ресурсов РФ является речной сток, формирующийся в пределах страны и только около 5 % поступающий с территорий сопредельных государств. Бессточный внутренний бассейн Каспия занимает большую европейскую часть РФ. При этом в Каспийско-Азовском регионе, на который приходится лишь примерно 8 % территории [4], проживает порядка 80 % населения РФ и сосредоточена основная часть хозяйственной инфраструктуры. На освоенных территориях сток рек составляет около 800 км³/год, в том числе в наиболее заселённых и экономически развитых районах европейской части - лишь 360 км³/год.

По Южному ФО отклонение водных ресурсов от среднего многолетнего значения составило - 6.5 % против - 11.6 % в 2013 г. Резкое падение стока р. Волги изменило характер водности приволжских областей (Астраханской и Волгоградской) и понизило их водность до значений ниже нормы, соответственно, на 5.8 % и 8.4 %. Резкий рост стока левых притоков р. Кубани, приблизивший сток самой р. Кубани к норме, и столь же резкое снижение стока рек Черноморского побережья привели к тому, что водность Краснодарского края претерпела весьма малое изменение, превысив среднее многолетнее значение на 8.7 % против 9.6 % в 2013 г. Водность Республики Адыгеи, напротив, значительно возросла по сравнению с 2013 г. и превысила норму на 10.6 % благодаря резкому росту стока рр. Лабы и Белой. Водность в Ростовской области дополнительно снизилась в 2014 г. по сравнению с весьма низким уровнем 2013 г., и ее отклонение от нормы составило - 42.9 %. Ситуация в Ростовской области была обусловлена продолжением фазы низкой водности р. Дона. В Республике Калмыкии, как и прежде, водность значительно превышала норму, что связано с сохранением повышенной водности рр. Калаусы и Кумы, вызванной не только естественными факторами, но и ростом объемов переброски стока [4, 5].

Северо-Кавказский ФО имеет тенденцию к некоторому снижению водности рек от значения, превышавшего норму на 12.1 % в 2013 г., до значения, близкого к норме (4.3 %). В субъектах округа характер изменения водность значительно различался. Снижение водности до значений, существенно меньших нормы, было отмечено в двух республиках - Дагестане и Ингушетии. В Чеченской Республике водность снизилась до нормы, а в республиках - Кабардино-Балкарии и Северной Осетии-Алании осталась близкой к норме. Рост водности до значений, существенно превышающих норму, имел место в Карачаево-Черкесской Республике и в Ставропольском крае [6].

Картина водности рек Северного Кавказа, а также Республики Адыгеи была противоположной картине 2014 г., она характеризовалась тем, что сток рек северного склона Главного Кавказского хребта постепенно снижался в направлении с запада на восток от повышенных значений до значений намного ниже нормы [7]. Как и прежде, естественная картина распределения водных ресурсов в немалой степени нарушалась масштабной межбассейновой и внутрибассейновой переброской стока.

Водные ресурсы Крымского ФО были значительно меньше среднего многолетнего значения, в отличие от 2013 г., когда они превышали его на 50 %. Местный сток рек округа при этом не изменился и остался на довольно низком уровне (38.1 % от нормы). Уменьшение водных ресурсов произошло по причине беспрецедентного сокращения поступления воды на полуостров по Северо-Крымскому каналу [8].

Климат Краснодарского края слагается под воздействием циркуляционных процессов южной зоны умеренных широт. На климат района значительное влияние оказывают Чёрное и Азовское моря, которые являются дополнительными источниками влаги. В связи с этим характерной особенностью климата является обилие солнечного света и тепла. Годовое количество осадков (среднемноголетнее) 590 мм. Наибольшее количество осадков выпадает в мае-июне, наименьшее в сентябре-октябре. Испаряемость с водной поверхности составляет 900-1100 мм, что значительно превышает количество осадков, причём большая часть приходится на период с мая по сентябрь [9].

В настоящее время более 80 % водопроводящих сооружений на юге РФ отработали значительно свой нормативный срок эксплуатации. В то же время отмечается одновременное возрастание нагрузки на стареющие гидротехнические сооружения, что при отсутствии необходимых квалифицированных кадров и технической ремонтной базы неизбежно приведёт к росту числа аварий, обусловленных эксплуатационными причинами.

Происходит повсеместное сокращение площади мелиоративных земель на юге РФ (табл. № 2) [10], что обусловлено катастрофической проблемой нехватки водных ресурсов, так и стареющих гидротехнических сооружений.

Таблица 2 Сокращение площади мелиоративных земель на юге РФ

Современная надежная эксплуатация воодопроводящих сооружений обеспечивается высоким уровнем проектных разработок, строительства и грамотной эксплуатации высококвалифицированным персоналом. В связи с этим возникла потребность в поиске новых современных методов определения количественных оценок надёжности остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений для получения возможности выполнения их заблаговременного ремонта и предотвращения дальнейшего разрушения [11].

По данным «Мелиоративного кадастра», в РФ [12] эксплуатируются более 150 тыс. км водопроводящих сооружений, построенных в 50 - 70 годы прошлого века. Только на юге более 10 тыс. шт. объектов и более 20 тыс. км находящихся в Федеральной собственности [13] (табл. № 3), которые находятся на балансе Минсельхоза России и они, как правило, расположены на магистральных каналах, а сооружения расположенные на межхозяйственной сети находятся на балансе сельхозпроизводителя, а в ряде субъектов РФ без хозяина [14]. Более половины водопроводящих сооружений требуют восстановления, так как проектный срок их эксплуатации составляет более 30 лет и дальнейшее увеличение их возраста приводит к снижению их надежности и безопасности [15].

Остаточный ресурс водопроводящих сооружений позволяет установить безопасный срок их эксплуатации без ограничений или с ограничениями, либо принять решение о ремонте или ликвидации сооружений и части его элементов [16].

Основным свойством, определяющим ресурс системы, является надежность ее элементов, т.е. надежность и безотказность работы в течение определенного срока эксплуатации. Надёжность и безотказность работы системы в целом определяется из условия, что каждый элемент системы может находиться в одном из двух состояний - работоспособном или отказа [11, 12, 17, 18, 19].

Таблица 3 Наличие объектов водопроводящих сооружений на юге РФ

Интегральная оценка риска аварии водопроводящих сооружений [20]:

- R_а<0,15 - нормальный уровень;

- 0,15<R_а<0,30 - пониженный уровень;

- 0,30<R_а<0,50 - неудовлетворительный уровень;

- R_а>0,50 - опасный уровень.

Работоспособность подсистемы R_n.c.,:

где -физический износ подсистемы,:

;

Физический износ водопроводящих сооружений можно аппроксимировать некоторой функцией, динамически меняющейся во времени. Вид функции оценивается в зависимости от многих факторов:

- текущего и капитального ремонтов;

- технической эксплуатации;

- уровня воздействия динамических нагрузок на фундаменты;

- влияния техногенных процессов;

- изменения геотехнического состояния оснований фундаментов;

- старения материала конструкций водопроводящего сооружения под действием атмосферных воздействий.

Физический износ сооружений подсистемы [11]:

Оценки вероятности работоспособного состояния системы:

(1)

Определим остаточный ресурс:

(2)

Существующие методики обследования гидротехнических конструкций [21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28] направлены на оценку в целом пригодности несущих конструкций сооружений к дальнейшей эксплуатации. При проведении обследований оросительных лотковых каналов появился ряд вопросов по характеру выявления повреждений и дефектов, а также по прогнозированию технического состояния на определённый период времени [29]. Поэтому появилась необходимость в создании методики по обследованию и прогнозированию технического состояния лотковых каналов оросительных систем. россия водный мелиоративный

Мониторинг проводится с учётом действующих нормативных документов по проектированию, изготовлению и специфики эксплуатации [30, 31], также он выделяет основные требования к процессу проведения измерений технического состояния сооружений с применением современных приборов неразрушающего контроля.

Результаты оценки технического состояния являются исходными данными для составления заключения о состоянии обследуемых объектов.

Выводы

1. Национальный стандарт ГОСТ Р 22.1.12-2005 позволяет сформулировать основные требования к постоянному мониторингу водопроводящих сооружений.

2. Качественный постоянный мониторинг водопроводящих сооружений позволяет оценить изменение напряженно-деформированного состояния при различных сочетаниях нагрузок.

3. Анализ неудовлетворительного состояния отдельных водопроводящих сооружений юга РФ свидетельствует о высоком количестве сооружений с неудовлетворительным и опасным уровнем безопасности.

Литература

1. Айдаркина Е.Е. Водопользование Ростовской области: основные проблемы и пути их решения// Приволжский научный вестник. 2012. № 12 (16). С. 43-49.

2. Малаханов В.В., Кузнецов Д.В. Совершенствование мониторинга состояния и декларирования безопасности гидротехнических сооружений// Гидротехническое строительство. 2016. № 1. С. 41-53.

3. Волосухин В.А. Бондаренко В.Л. Факторы, определяющие безопасность гидротехнических сооружений водохозяйственного назначения// Наука и безопасность. 2014. № 3 (12). С. 7-8.

4. Бандурин М.А., Волосухин В.А. Мониторинг сооружений водного хозяйства// Инновационные пути развития агропромышленного комплекса: задачи и перспективы Правительство Ростовской области, Министерство сельского хозяйства и продовольствия; ФГБОУ ВПО АЧГАА. 2012. С. 98-101.

5. Wright A.G. International team to plug leaky dam with secant pile wall / ENR. 2002. V. 248. № 24. 14 p.

6. Бандурин М.А. Совершенствование методов продления жизненного цикла технического состояния длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений// Инженерный вестник Дона, 2013, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1510

7. Бандурин М.А. Совершенствование методов проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений// Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. 2013. № 1 (09). С. 68-79.

8. Лисовский А.А. Поверхностные водные объекты Крыма/ справочник - Симферополь: Из-во Крымучпедгиз, 2011. - 242 с.

9. Волосухин Я.В., Бандурин М.А. Проведение эксплуатационного мониторинга с применением неразрушающих методов контроля и автоматизация моделирования технического состояния гидротехнических сооружений // Мониторинг. Наука и безопасность. 2011. № 3. С. 88-93.

10. Косиченко Ю.М., Косиченко М.Ю., Иовчу Ю.И. Критерии эксплуатационной надежности оросительных каналов// Природообустройство. 2008. № 1. С. 70-73.

11. Афанасьев А.А., Матвеев Е.П. Реконструкция жилых зданий/ - М. : Из-во ЦПП, 2008. - 479 с.

12. Fairbairn E.M. Numerical simulation of dam construction using low-CO₂-emission concrete// Materials and Structures Materiaux et Constructions. 2010. V. 43. № 8. pp. 1061-1074.

13. Бандурин М.А. Проблемы оценки остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений// Инженерный вестник Дона, 2012. № 3 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2012/891

14. Бандурин М.А. Применение программно-технического комплекса для решения задачи проведения эксплуатационного мониторинга и определения остаточного ресурса водопроводящих сооружений// Инженерный вестник Дона, 2012, № 4 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4p1y2012/1200

15. Волосухин Я.В., Бандурин М.А. Применение неразрушающих методов при проведении эксплуатационного мониторинга технического состояния каналов обводнительно-оросительных систем // Мониторинг. Наука и безопасность. 2012. № 2. С. 102-106.

16. Пат. 2458204 РФ, МПК E02B 13/00. Устройство для проведения эксплуатационного мониторинга водопроводящих каналов / М. А. Бандурин, В. А. Волосухин, В. А. Бандурин, Я.В. Волосухин. - № 2010111995/13 ; заявл. 29.03.2010 ; опубл. 10.08.2012, Бюл. № 22

17. Пат. 2368730 РФ, МПК E02B 13/00. Способ проведения эксплуатационного мониторинга технического состояния лотковых каналов оросительных систем / М. А. Бандурин, В. А. Волосухин. - № 2008100926/03 ; заявл. 09.01.2008 ; опубл. 27.09.2009, Бюл. № 27

18. Бандурин М.А., Бандурин В.А. Численное моделирование объемного противофильтрационного геотекстильного покрытия с изменяемой высотой ребра// Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/1911

19. Балонин Н.А., Гарибин П.А., Марлей В.Е., Рябов Г.Г. Перспективы использования информационных технологий для мониторинга технического состояния гидротехнических сооружений// Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2010. Т. 1. № 93. С. 171-176.

20. Бандурина И.П., Бандурин М.А. Автоматизация мониторинга ливнеотводящих сооружений на водопроводящих каналах Ставропольского края// Инженерный вестник Дона, 2015, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2875

21. Бандурина И.П., Бандурин М.А. Обоснование продления срока эксплуатации несущих конструкций сборных водоподъёмных низконапорных щитовых плотин// Инженерный вестник Дона, 2014, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2014/2441

22. Бойкова И.Г., Верменко В.В., Волохова М.Н., Муратова Л.Н., Розанов Н.Н., Тимофеева Е.А. Оценка технического состояния и эксплуатационной надежности гидротехнических сооружений// Водоснабжение и санитарная техника. 2012. № 11. С. 39-43.

23. Бандурин М.А. Проблемы определения остаточного ресурса технического состояния закрытых водосбросов низконапорных гидроузлов// Инженерный вестник Дона, 2014, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2014/2279

24. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Программно-технический комплекс для проведения мониторинга и определения остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений// Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. 2013. № 1. С. 57-68.

25. Кузнецов А.С., Дубок В.В., Макушин А.Л., Сергеев И.В., Шелемба И.С., Гранев И.В. Применение точечных волоконнооптических датчиков на гидротехнических сооружениях строящейся Зарамагской ГЭС-1// Известия Всероссийского научно-исследовательского института гидротехники им. Б.Е. Веденеева. 2014. № 273. С. 36-44.

26. Щедрин В.Н., Косиченко Ю.М., Шкуланов Е.И., Лобанов Г.Л., Савенкова Е.А., Кореновский А.М. Правила эксплуатации отдельно расположенных гидротехнических сооружений// депонированная рукопись № 221-В2013 01.08.2013

27. Волосухин В.А., Бандурин М.А. Мониторинг, диагностика и остаточный ресурс несущих конструкций сборных водоподъемных низконапорных щитовых плотин// Вестник Донского государственного аграрного университета. 2015. № 4-1 (18). С. 61-71.

28. Балонин Н.А., Гарибин П.А., Марлей В.Е. Новые информационные технологии мониторинга гидротехнических сооружений// Вестник государственного университета морского и речного флота им. адмирала С.О. Макарова. 2009. № 4. С. 150-154.

29. Арифулин Е.З., Федянин В.И., Мальцев А.С., Калач А.В. Методология мониторинга чрезвычайных ситуаций, связанных с авариями на гидротехнических сооружениях// Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2013. № 2 (7). С. 25-28.

30. Арифуллин Е.З., Калач Е.В., Калач А.В. Мониторинг чрезвычайных ситуаций на гидротехнических сооружениях как совокупность органов управления и принятия решений// Проблемы обеспечения безопасности при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций. 2015. Т. 1. С. 57-59.

31. Волосухин В.А., Бандурин М.А., Волосухин Я.В., Горобчук Е.Н., Воропаев В.И., Белогай С.Г. Мониторинг безопасности гидротехнических сооружений низконапорных водохранилищ и обводнительно-оросительных систем// Под общей редакцией В.А. Волосухина. Новочеркасск, 2010.

Размещено на Allbest.ru