ËÎÃ²ÊÎ-²ÌÎÂ²ÐÍ²ÑÍÀ ÌÎÄÅËÜ ÏÐÎÖÅÑÓ ÂÈÍÈÊÍÅÍÍß, ÐÎÇÂÈÒÊÓ ÒÀ ËÎÊÀË²ÇÀÖ²¯ Ã²ÄÐÎÄÈÍÀÌ²×ÍÎ¯ ÀÂÀÐ²¯

Технические науки / 5. Энергетика

Анахов П. В.

ДП "Укроборонсервіс", м. Київ

ЛОГІКО-ІМОВІРНІСНА МОДЕЛЬ ПРОЦЕСУ ВИНИКНЕННЯ, РОЗВИТКУ ТА ЛОКАЛІЗАЦІЇ ГІДРОДИНАМІЧНОЇ АВАРІЇ

Гідровузли віднесено до структурно-складних систем (ССС), які описуються сценаріями мережевого типу з циклами і неусувною повторюваністю аргументів при їх формалізації. При цьому єдиним практично реальним і доступним шляхом для проектування та дослідження ССС є моделювання [1].

Згідно моделі [2], довільна ССС складається з наступних елементів: автоматизована система керування (АСК); об’єкт(и) керування.

Біообростання водопропускних отворів, сміттєзатримуючих грат, інших металевих конструкцій водопропускних гідротехнічних споруд (ГТС) гідровузлів значно ускладнює і здорожує їх експлуатацію. В результаті додаткових втрат напору води зменшується пропускна здатність ГТС і вироблення електричної енергії [3].

На рис. 1 представлено модель гідровузла, яка враховує наявність водопропускних ГТС. АСК складається з наступних послідовно з’єднаних елементів: датчики зняття даних; мережа електрозв’язку; пристрій управління; механізм відкривання/закривання затвору або насос напірного водоводу.

Рис. 1. Модель гідровузла [4]

Регулювання пропуску води водосховищ (або акумулювання) забезпечується елементами гідровузла: регулювання водостоку – закриванням/відкриванням гідротехнічного затвору; регулювання підйому води – включенням/виключенням насосу напірного водоводу. Узагальнена модель регулювання пропуску води представлена на рис. 2.

Рис. 2. ЛІМ ресурсного забезпечення пропуску води у водосховищах

Примітка 1. Під маневруванням будемо розуміти ручне / механічне управління гідротехнічним затвором водоскидної ГТС або насосом водопідйомної ГТС.

Примітка 2. Умовою спрацювання пасивного водоскиду, який не оснащено гідротехнічним затвором, є досягнення його рівня рівнем води.

Примітка 3. З урахуванням того, що значення рівня води в результаті постійного впливу зовнішніх дій є нерівномірним по всій площі водосховища W, обмежимось дослідженням його висоти h_W_®₀ безпосередньо біля підпірної ГТС.

Примітка 4. Тільки для водоскидних ГТС.

Примітка 5. Позначення змінних на рис. 2 виконано з урахуванням правил запису ЛІМ:

- у верхньому індексі подано імовірність істинності аргументів логіко-імовірнісних моделей у функціях алгебри логіки [1]:

	для працездатного елемента, для непрацездатного елемента;	(1)
	якщо ініціююча подія відбулася, якщо ініціююча подія не відбулася;	(2)

у нижньому індексі представлено елемент ГТС a (HES від Hydro-Engineering Structure) згідно рис. 1 (АСК – ACS від automated control system; гідротехнічний затвор тощо – flood-gate; гребля, дамба – dam; водопропускна споруда – culvert).

Режими функціонування водосховища, які визначає робота водопропускної ГТС, описуються рівнянням витрати акумуляції [5]:

(3)

де – загальний прихід води, м³/с; Q₁ – поверхнева притока; Q₂ – атмосферні опади; Q₃ – випаровування; Q₄ – підземний стік (або притока); Q_out=SV – витрата акумуляції у "вихідному" створі водосховища (витрата води); S – площа водопропускних отворів гідротехнічної споруди; V – швидкість руху води в створі, м/с; W – площа дзеркала, м²; dh/dt – швидкість приросту рівня, м/с; h – рівень води, м; t – час, с; W(dh/dt) – швидкість приросту об'єму, м³/с,

з умовами [6]

де гранично допустимий акумульований об'єм водосховища обумовлюється найбільшим підпірним рівнем гідротехнічної споруди h_HES, м.

Очевидно, що:

- за умови (4) водосховище працює в режимі пропуску;

- за умови (5) водосховище працює в режимі акумуляції;

- за умови (6) недостатня пропускна здатність в режимі пропуску, або акумуляція води може призвести до переливання через гребінь підпірної гідротехнічної споруди.

За умов (5) і (6) режим акумуляції призводить до підвищення рівня води у верхньому б’єфі.

При підвищенні рівня води зростає об’єм водосховища і, відповідно, сила тиску T на підпірний фронт, яку, відповідно до будівельних норм і правил Російської Федерації СНиП 33-01-2003 "Гидротехнические сооружения. Основные положения", треба враховувати при проектуванні гідротехнічних споруд. Підвищення рівня води обумовлює зростання рівня небезпеки прориву ГТС [8].

Гідротехнічні споруди для накопичення і зберігання значних об'ємів води та рідких речовин, відповідно до "Методики ідентифікації потенційно небезпечних об'єктів" (від 23 лютого 2006 року, №98), затвердженої наказом Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи (МНС України), становлять небезпеку гідродинамічних аварій (ГДА).

Угруповання гідродинамічних аварій, згідно з Державним класифікатором надзвичайних ситуацій (ДКНС) ДК 019-2001, який є складовою частиною Державної системи класифікації і кодування техніко-економічної та соціальної інформації в Україні, та призначений для ведення державної статистики і організації взаємодії міністерств і відомств при вирішенні питань, пов'язаних з надзвичайними ситуаціями, наведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Угруповання гідродинамічних аварій [9]

Код ДКНС	Назва класифікаційного угруповання
11110	Прориви гребель (дамб, шлюзів тощо) з утворенням хвиль прориву та катастрофічних затоплень
11120	Прориви гребель (дамб, шлюзів тощо) з утворенням проривної повені
11130	Аварійне спрацювання водосховищ гідроелектростанцій у зв'язку із загрозою прориву гідроспоруди
Не визначено	Штучний пропуск води при відкриванні затвору водоскидної гідротехнічної споруди
Не визначено	Переливання через гребінь гребель (дамб, шлюзів тощо) з утворенням хвиль та катастрофічних затоплень
Не визначено	Переливання через гребінь гребель (дамб, шлюзів тощо) з утворенням повені

Згідно рекомендацій Всеросійського НДІ гідротехніки ім. Б. Є. Вєдєнєєва [10], з метою виявлення небезпечних елементів гідротехнічних об’єктів і таких дій на них, що можуть призвести до гідродинамічної аварії, виконано попередній аналіз небезпек. Результати оформлені у вигляді протоколу, що містить таблицю результатів аналізу (таблиця 3).

Таблиця 3

Таблиця результатів попереднього аналізу небезпек гідродинамічних аварій

Елемент	Дія на елемент	Вид ГДА¹	Примітка
АСК	Руйнування	-	Вплив на підпірну рухому ГТС, водопропускну ГТС
АСК	Керування	-	Вплив на підпірну рухому ГТС, водопропускну ГТС
Підпірна ГТС	Руйнування	Прорив
Підпірна ГТС	Хвиля	Переливання
- в т. ч. рухома (шлюз, затвор тощо)	Маневрування	-	Вплив на водопропускну ГТС
Водопропускна ГТС	Пропуск	Спрацювання
		Пропуск
		Переливання	За умови недостатньої пропускної здатності
	Акумуляція	Переливання

Примітка 1. В таблиці прийняті скорочення назв класифікаційного угруповання гідродинамічних аварій (таблиця 2).

Результатом попереднього аналізу небезпек є математична модель процесу виникнення, розвитку та локалізації гідродинамічної аварії (рис. 4).

Рис. 7. Логіко-імовірнісна модель процесу виникнення, розвитку та локалізації гідродинамічної аварії

Примітка 1. Ознакою надзвичайної ситуації, відповідно до наказу МНС України "Класифікаційні ознаки надзвичайних ситуацій" (від 22 квітня 2003 року, №119), є утворення проривного паводка – хвилі прориву води висотою h(Q_out, HDA), де Q_out – витрата акумуляції, HDA – власне ГДА, в результаті гідродинамічної аварії на гідротехнічній споруді з рівнем її гребеня, що дорівнює або перевищує рівень розрахункового паводка (повені) h(Q_out_,_calculated) забезпеченістю 15-10%: h(Q_out, HDA)³(1,1-1,15)´h(Q_out_,_calculated).

Примітка 2. До вражаючих факторів проривного паводка, згідно ДКНС ДК 019-2001, віднесено наявність утвореної в результаті викидання, множини небезпечних хімічних речовин, біологічно небезпечних речовин, радіоактивних речовин, забруднювальних речовин в кількості n=1, 2, …, i, …, n у навколишньому середовищі понад гранично допустиму їх концентрацію : , де – символ багатократної диз’юнкції.

Примітка 3. Розглядаються ступені руйнування B об'єктів, які визначають глибина потоку h(Q_out) та швидкість течії V(Q_out) хвилі прориву [11]. Також розглядаються ступені руйнування об'єктів B, які визначають глибина затоплення h(Q_out), швидкість течії V(Q_out) та тривалість t(Q_out) катастрофічного затоплення місцевості [12]. Аналіз наведених даних дозволяє узагальнити вражаючі фактори руйнівної дії води у формі функції B[h(Q_out), V(Q_out), t(Q_out)].

Література:

1. Рябинин И. А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем / И. А. Рябинин. – СПб.: Политехника, 2000. – 248 с.

2. Littleton M. J. Information age terrorism: toward cyberterror / M. J. Littleton. – Monterey: Naval Postgraduate School, 1995. – 67 p.

3. Анахов П. В. Математические модели гидротехнических сооружений гидроэлектростанций и режимов работы водохранилищ: Materiály VI mezinárodní vědecko-prakyická konference "Přední vědecké novinky – 2010", (27 sprna – 05 září 2010 r.) / Praha: Publishing House "Education and Science" s.r.o., 2010. – P. 19-21.

4. Анахов П. В. Модель структурно-складної системи з інтегрованою автоматизованою системою керування: VІ международная научно-техническая конференция "Современные информационно-коммуникационные технологи" (Ливадия, 4 – 8 октября 2010 г.) / П. В. Анахов, С. П. Анахов.

5. Иванов А. Н. Гидрология и регулирование стока / А. Н. Иванов, Т. А. Неговская. – [2-е изд.]. – М.: Колос, 1979. – 384 с.

6. Анахов П. В. Режими роботи водосховищ гідроелектростанцій: Материалы международной научно-практической Интернет-конференции "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития ‘2010", (04 – 15 октября 2010 г.) / О.: Черноморье, 2010.

7. Калустян Э. С. Разрушения и повреждения бетонных плотин на скальных основаниях / Э. С. Калустян. – М. – СПб.: изд-во АО "ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева", 1997. – 188 с.

8. Калустян Э. С. Диагностика технического риска напорных сооружений водохозяйственных систем / Э. С. Калустян. – М.: Московский государственный университет природообустройства, 2001. – 74 с.

9. Анахов П. В. Визначення причин виникнення гідродинамічних аварій на гідротехнічних об'єктах: Сб. науч. тр. по мат. междунар. н.-пр. конф. "Соврем. направл. теор. и приклад. исслед. '2008" / НИИ Морфлота Украины, Морской УКЦ "MarinECC", Одесский национальный морской университет. – О.: Черноморье, 2008. – Т. 23. – с. 30-31.

10. СТП ВНИИГ 210.02.НТ-04. Методические указания по проведению анализа риска аварий гидротехнических сооружений / [Под ред. Е. Н. Беллендира, Н. Я. Никитиной]. – [2-е издание]. – СПб.: Изд-во ОАО "ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева", 2005.

11. Загальні вимоги до розвитку і розміщення потенційно небезпечних виробництв з урахуванням ризику надзвичайних ситуацій техногенного походження / [Наук. кер.: С. І. Дорогунцов, В. Ф. Гречанінов]– К., 1995. – 120 с.

12. РД 153-34.2-002-01. Временная методика оценки ущерба, возможного вследствие аварии гидротехнического сооружения (от 26 апреля 2001 г., №130).