Совместный российско-индийский проект строительства атомной электростанции

Цель:
Выбор и научное обоснование компоновки и конструкции водозаборов для работы восьми энергоблоков АЭС в условиях прибрежной зоны Индийского океана.
Задачи:

• прогноз изменения гидро- и термодинамических процессов при вводе энергоблоков в эксплуатацию;
• анализ компоновочных и конструктивных решений водозабора для выбора оптимального варианта строительства;
• анализ гидротермических режимов прилегающего участка акватории в зависимости от предлагаемых решений при различных скоростях и направлениях ветра.

Результаты:
Всего просчитано 23 варианта компоновки. Критериями оптимальности выбора стали непревышение температуры на водовыпусках АЭС естественной температуры моря более, чем на 7°С, а также максимальная технологичность выполнения строительных работ.

Совместный российско-турецкий проект по строительству первой в Турции атомной электростанции

Цель:
Научное обоснование технических решений расположения и компоновки водозаборных и водосбросных гидротехнических сооружений АЭС в условиях прибрежной зоны Средиземного моря.

Задачи:

• исследование теплового режима в заливе Аккую при заданной температурной стратификации в предполагаемой зоне влияния станции;
• определение/обеспечение минимального теплового воздействия системы охлаждения АЭС на морскую акваторию при заданной схеме расположения гидротехнических сооружений с учетом вдольберегового течения, а также направления и скорости ветра.

Результаты:
Выполнено моделирование 13 вариантов компоновки гидротехнических сооружений при разных глубинах и удаленности точек забора исходной и отвода подогретой воды. В оптимальных условиях при естественной температуре моря около 28°С температура охлаждающей воды в точке сброса не должна превышать 35°С. Одновременно с этим температура воды в поверхностном слое моря над точкой сброса не должна превышать естественную температуру воды более чем на 1°С. Показано, что наиболее эффективное решение, лучше всего обеспечивающее выполнение данных условий, выполняется, если сброс нагретой воды производится на глубину 45 метров по расположенным на дне водоводам для каждого блока АЭС в отдельности, причем на концевых участках водоводов водовыпуск осуществляется через систему отверстий.

Цель:
Изучение режима работы водохранилища филиала «Сургутская ГРЭС-2» ОАО «ОГК-4» для разработки мер по обеспечению эффективного температурного режима водоема: снижение температуры воды летом и повышение температуры на водозаборе в зимний период до +5°С.

Задачи: 

• построение математической модели работы водохранилища;
• проведение серии расчетов по модели с учетом различных сезонов и режимов работы;
• анализ полученных результатов и разработка рекомендаций по эффективной эксплуатации водоема.

Методика:
В качестве мер, направленных на снижение температуры на водозаборах в летний период, рассматривалось создание струенаправляющих дамб, изменение пути от водосброса до водозабора и другие мероприятия. Для повышения температур на водозаборе в зимний период проводились расчеты результатов перекрытия северного или южного водосбросных каналов водохранилища СГРЭС-1.
Для теплого периода были выбраны следующие варианты расчетов:
- сооружение струенаправляющей дамбы в водохранилище СГРЭС-2 для удлинения пути от водосброса до водозабора;- сооружение удлиненной струенаправляющей дамбы в водохранилище СГРЭС-2;
- сооружение отсекающей дамбы длиной 1 км западнее плотины водохранилища СГРЭС-1 с протокой на юге (дамба №3);
- сооружение отсекающей дамбы длиной 1 км западнее плотины водохранилища СГРЭС-1 с протокой на севере (дамба №4).
Расчеты были проведены по описанным выше четырем сценариям, после чего удачные дополнялись и/или модифицировались.
Для холодного периода были выбраны следующие варианты расчетов:
- сооружение водопропускного шлюза в струенаправляющей дамбе водохранилища СГРЭС-2;
- то же, с сооружением дополнительной струенаправляющей дамбы (контршпоры);
- то же, с расширением подводящего канала СГРЭС-2.

Результаты:
Расчеты для лета показали: любые мероприятия, проводимые исключительно в водохранилище СГРЭС-2 и не затрагивающие водохранилище СГРЭС-1, абсолютно неэффективны. При 1 и 2 вариантах изменения температуры забираемой воды находятся в пределах естественных колебаний, что говорит об отсутствии какого-либо эффекта. Более эффективным оказался вариант сооружения дамбы №3 – при изначальной длине 1050 м понижение средней температуры воды, забираемой на СГРЭС-2, составило 1,27˚C, при этом на СГРЭС-1 температуры выросла на 1,72˚C (против 1,15˚C и 2,17˚C соответственно при 4-м варианте). Таким образом, сооружение отсекающей дамбы с протокой на юге было принято за основной вариант. Далее рассматривались варианты различных длин дамбы, выбран наиболее оптимальный. Расчеты для зимы показали: все предложенные варианты приводят к положительным изменениям температурного режима водохранилища-охладителя. Выбор варианта зависит от возможности смешения воды, забираемой на БНС-1-3, а также интересами СГРЭС-1.
Сооружение шлюза следует производить как можно ближе к входу в водосбросной канал водохранилища СГРЭС-1 (к водозабору СГРЭС-2). Достаточно его ширины в 20-25 м и короткой контршпоры. Это приведет к среднему повышению температуры воды на водозаборах СГРЭС-2 примерно на 2°C по сравнению с существующими условиями, однако температура повысится неравномерно на разных БНС. Для этого варианта проведены расчеты оптимальных параметров шлюза по 12 сценариям.

оз. Муромское, Святое, Черное

Цель:
Оценка охлаждающей способности водохранилищ-охладителей Верхнетагильской ГРЭС.

Задачи:

• выполнение многовариантных расчётов температурных режимов для различных метеоусловий и режимов функционирований ГРЭС;
• оценка эффективности работы водоемов-охладителей;
• разработка рекомендаций по обеспечению их оптимального функционирования.

Методика:
Для решения указанных задач на основе актуализированных батиметрических данных построена трехмерная гидротермическая модель функционирования водоёмов-охладителей. С ее помощью выполнено численное моделирование их работы для прогноза температуры воды на водозаборах и распределения температуры воды по площади водоёмов при различных метеорологических условиях и выбранных вариантов сброса нагретой воды и работы агрегатов ГРЭС;Результаты. По созданной и верифицированной модели проведены 20 расчётов: по 5 вариантов для летнего и зимнего режимов в условиях преобладающего ветра и штиля. Выполнена оценка коэффициента использования каждого из водоёмов. 

Результаты:
Расчеты для существующих условий показали достаточную эффективность температурного режима водоёмов-охладителей. Расчеты по предполагаемым мероприятиям не выявили неэффективных вариантов функционирования: практически все из них показали близкие (в пределах 0,7°С) значения температуры на водозаборах. Подтверждено, что охлаждающая способность водоёмов-охладителей Верхнетагильской ГРЭС достаточна для ее нормального функционирования, прежде всего, в силу достаточно большого объёма и площади водоёмов и относительно малых объемов сброса и забора воды.

Цель:
Научное обоснование и разработка метода снижения максимальной температуры на водозаборе на 2°С.


Задачи:

• моделирование температурного режима водоема-охладителя с учетом вариантов удлинения существующих струенаправляющих дамб и сооружения новых;
• расчеты термического режима с учетом четырех направлений ветра и их повторяемости;
• разработка научно обоснованных рекомендаций по оптимизации температурного режима водоема-охладителя.

Результаты:
В процессе исследования рассматривалось 11 вариантов устройства струенаправляющих дамб. Наилучшим оказался один из них, позволяющий обеспечить снижение температуры на водозаборе практически на 10°С, длина дополнительных дамб при этом - около 3 км. В то же время, моделирование показало, что снизить температуру более чем на 1°С для данного водохранилища путем сооружения новых дамб и дноуглубительных работ оказалось невозможным.

Цель: 
Научное обоснование влияния дноуглубления мелководных участков водохранилища на его температурный режим. Условие таково: изъятый грунт отсыпают на прибрежные участки, уменьшая площадь зеркала водохранилища, участвующего в теплообмене с атмосферой. Предполагалось, что углубление водоема улучшит температурный режим, а изъятую из теплообмена часть акватории можно использовать для хозяйственных нужд.

Задачи:

• численное моделирование термического режима водоема-охладителя для двух вариантов сочетания климатических условий (июль и сентябрь) и режима работы дамбы с учетом четырех вариантов компоновки водоема (существующая, дноуглубление вариант с дамбами, дноуглубление вариант без дамб, дноуглубление).
• расчет термики для четырех направлений ветра и условий штиля;
• разработка научных рекомендаций по управлению термическим режимом водоема.

Результаты:
Исследования показали, что для данного водохранилища все рассмотренные варианты дноуглубления имеют низкую или даже отрицательную эффективность. Отрицательный эффект от дноуглубительных работ усугубляется, если изъятый грунт складируется на акватории водохранилища, уменьшая площадь зеркала водоема и тем самым - его охлаждающую способность. Высокую эффективность с точки зрения снижения максимальной температуры на водозаборе показали варианты с компоновкой струенаправляющих дамб, образующих так называемый «змеевик», увеличивающий путь движения воды от водосброса к водозабору.

Цель:
Научное обоснование размещения проектируемых мостов и проведения инженерных работ по безопасному функционированию существующих сооружений с учетом паводка 1% обеспеченности, прошедшего в июле 1989 год в бассейне р.Уссури. В результате резкого подъема уровня воды в населенных пунктах на пойме (Сальское, Дальнереченск) для пропуска воды была взорвана насыпь автодороги. Железнодорожную насыпь размыл паводок. На месте проранов в пойме притоков р.Уссури предполагалось построить два моста.

Задачи:

• компьютерное моделирование прошедшего паводка с учетом взрыва земляного полотна;
• вычисление расчетных расходов и уровней воды для существующих и проектируемых мостов;
• рассмотрение альтернативных вариантов, связанных с увеличением отверстий двух существующих мостов.

Результаты:
В ходе компьютерного моделирования паводка 1% обеспеченности удалось установить, что проведенная работа по ликвидации земляного полотна автодороги привела к незначительному (на 10 - 15 см) снижению уровней воды у насыпей мостовых переходов и г.Дальнереченска. Расчеты показали, что увеличение отверстий двух существующих железнодорожных мостов дешевле и окажется более эффективным в гидравлическом отношении, чем строительство двух новых мостов на пойме. Методика проверена путем сопоставления расчетных и измеренных на пике паводка уровней водной поверхности. Они оказались весьма близкими, что свидетельствует о достаточно высокой точности методики.

Цель:
Научное обоснование влияния дорожных сооружений и городской застройки на уровни затопления территории г.Крымска водами р.Адагум в ходе катастрофического паводка.


Задачи исследований:

• создание математической модели прохождения паводка в долине р.Адагум;
• детальная оценка зон затопления и районирование территории г. Крымск по степени возможных разрушений;
• анализ влияния дорожных сооружений и городской застройки на уровни затопления;
• проверка гипотезы значительного влияния заторов из древесного материала и мусора на участках мостовых переходов и их последующего прорыва на условия затопления города;
• оценка влияния подпора от нижерасположенного Варнавинского водохранилища на условия затопления (одна из гипотез о катастрофическом затоплении города связывалась с недостаточной сработкой Варнавинского водохранилища до начала паводка).

Методика:
Выполнено численное гидродинамическое моделирование прохождения дождевого паводка по долине р. Адагум и катастрофического наводнения в г. Крымске в июле 2012 г. Общая протяженность моделируемого участка составила 20 км. В модели учитывались отметки насыпи ж/д полотна, основные городские магистрали (выделялись на расчетной сетке специальными рядами ячеек), городская застройка (моделировалась участками с повышенной шероховатостью), завалы на мостовых переходах. В качестве верхнего граничного условия при моделировании задавался гидрограф р. Адагум, на нижней границе – уровень воды в Варнавинском водохранилище. Расчеты распространения паводковой волны проводились с использованием двумерной (плановой) гидродинамической модели «BOR». В основе расчетов лежат уравнения Сен-Венана (мелкой воды) в одномерной и двумерной постановках.

Результаты:
Влияние мостовых переходов (с учетом заторов на них) на глубину затопления городских районов составляет около 20% площади затопления селитебных территорий г.Крымск с дополнительным подтоплением на глубину 0,1-0,3 м. Наличие мостов не повлияло на общую площадь затопления города. Не подтвердилась версия о решающем влиянии образования и прорыва подпрудных водоемов выше железнодорожного и автодорожного мостов на степень затопления Крымска. Не повлиял на ситуацию с затоплением города и подпор от нижележащего Варнавинского водохранилища.
Предложен новый подход к численному моделированию затопления селитебных территорий: построение близкой к реальной картины течения с учетом всей городской застройки позволяет более обоснованно оценивать возможные ущербы от затопления, разрабатывать оптимальные схемы эвакуации населения и эффективные защитные мероприятия. Этот метод рекомендуется применять при составлении Декларации безопасности ГТС для оценки вероятного вреда от прохождения волны прорыва; при разработке систем оповещения и схем эвакуации населения при гидродинамической аварии; при проектировании и строительстве новых жилых районов на территориях, подверженных затоплению.

Гидроузел замыкает систему гидротехнический сооружений водораздельного бьефа Канала им. Москвы. Его основным назначением является осуществление пропуска судов, поддержание нормального подпорного уровня воды в водохранилищах водораздельного бьефа с попутной подачей воды для выработки электроэнергии. К основным гидротехническим сооружениям относятся плотина № 29 Химкинского водохранилища, система шлюзовых камер (шлюзы №№ 7 и 8) и деривационный канал для подачи воды на Сходненскую ГЭС.

Цель:
Научное обоснование оценки зон затопления и вероятных ущербов на нижерасположенных территориях с помощью численных экспериментов развития и распространения волн прорыва судоходного гидротехнического сооружения. 

Задачи: 

• создание математической модели водохранилищ водораздельного бьефа, шлюзов, деривационного канала, Химкинской плотины, а также нижерасположенных участков долины р. Химки от плотины до устья и р. Москвы от Тушинской поймы до Карамышевской плотины;
• проведение расчетов по модели с учетом различных сценариев потенциальной гидродинамической аварии;
• анализ полученных результатов;
• разработка рекомендаций по безопасной эксплуатации системы гидротехнических сооружений.

Методика: 
Для реализации поставленной цели была создана единая компьютерная двумерная (в плане) гидродинамическая модель сложного водного объекта. Расчеты выполнены для двух наиболее вероятных сценариев гидродинамической аварии с прорывом напорного фронта. Сценарий № 1 (наиболее тяжелый) рассматривает образование прорана в Химкинской грунтовой плотине. Сценарий № 2 (наиболее вероятный) рассматривает варианты разрушения сегментного затвора верхней головы или ворот средней головы шлюза № 7.

Результаты: 
Результаты расчетов показали, что в целом ущербы от возможного прорыва Химкинской плотины будут весьма существенными. Одновременно с показана невозможность возникновения каскадной аварии на р. Москве из-за прорыва г/у №7, т.е. прорывов напорных фронтов расположенных ниже Карамышевского и Перервинского гидроузлов, при условии своевременного раскрытия последних.

Цель:
Научное обоснование влияния инженерных сооружений на глубину затопления поймы реки в районе г. Тюмень с учетом проекта спрямления излучины р. Туры.

Задачи:

• анализ прохождения высоких паводков на р. Туре в районе г. Тюмень с целью получения данных о параметрах речного потока, уровнях воды и границах затопления поймы с учетом проектируемого водоотводного канала;
• построение математической модели сложного в гидрографическом отношении участка реки протяженностью 13 км;
• проведение многовариантных расчетов, выбор оптимальных параметров проектируемого канала и разработка научно обоснованных рекомендаций по выбору режима его эксплуатации.

Результаты:
Анализ результатов расчетов показал, что строительство канала в его основном варианте приведет к снижению уровней воды в реке не более чем на 30 см, а во временном варианте – не более чем на 20 см по сравнению с бытовыми условиями. Поэтому более целесообразным является повышение отметок верха берегозащитных дамб на эту величину. Расход воды в проектируемых каналах составит около 800 м3/с, а не 500 м3/с, как предполагается по проекту, за счет большего уклона водной поверхности в канале (0.00016 вместо принятого проектировщиками 0.0001). Средние скорости течения в реке - 2 м/с, максимальные 3 м/с, скорости течения в канале - до 3 м/с.

Цель:
Научный анализ динамики прохождения волны катастрофического паводка летом 2019 года и расчетных паводков редкой повторяемости. Научное обоснование оценки эффективности предлагаемых защитных мероприятий.

Задачи исследования:

• построение численной двумерной гидродинамической модели течения в русле и на пойме р. Ия в районе г. Тулуна;
• оценка роли существующих элементов инженерной защиты (дамб и насыпей) в затоплении г. Тулуна;
• оценка эффективности предлагаемых схем инженерной защиты с учетом пространственного расположения и высоты проектируемых дамб;
• оценка роли авто- и железнодорожного мостов (с учетом блокировки мостовых переходов плавающими домами, деревьями и строительным мусором) в формировании режима уровней воды р. Ии;
• оценки достаточности пропускной способности подмостового пространства с учетом их конструкции (существующих опор и параметров пролетов).

Результаты: 
Результаты моделирования и сравнительный анализ полей глубин и скоростей течения воды позволили, в частности, обоснованно утверждать, что существующие дамбы защищали участок городской излучины до величины расходов воды около 3500 куб.м/с (на участке выше а/д моста), при превышении этой величины поток выходит на пойму. На пике паводка, при расходах воды на подходе к городу
6000 куб.м/с, на участках большой протяженности дамбы переливались слоем воды глубиной более 2 м и не создавали существенных препятствий для водного потока перелив дамб сопровождался интенсивной трансформацией паводковой волны за счет аккумуляции значительного объема воды (более 10% от общего объема паводка) на широкой пойме в районе города, поэтому максимальный расход воды в створе гидропоста составил 5700 куб.м/с. Элементы инженерной защиты, а также застройка поймы р. Ии в районе городской излучины практически не оказали влияния на максимальные уровни затопления г. Тулуна. Также установлено, что залом перед автодорожным мостом глубиной 1-2 м (при глубине потока в 10 м) не оказал существенного влияния на уровни водной поверхности выше моста, т.е. не создал подпора, так как в данном случае стеснение живого сечения потока оказывается незначительным. Высокие скорости течения и его косоструйность стали причиной подмыва опор в левом пролете моста, однако сам мост не создавал серьезных препятствий водному потоку.

Цель:
Научное обоснование высотно-планировочных решений по застройке Захарковской поймы р.Москвы с учетом защиты от наводнений.

Задачи:

• построение математической модели движения воды р.Москвы на исследуемом участке с учетом рельефа поймы и русла;
• оценка гидравлического режима потока и зон затопления в современных условиях и при реализации проекта освоения территории с учетом расходов воды р.Москвы редкой повторяемости;
• разработка рекомендаций по безопасному освоению территории.

Методика:
Для решения перечисленных задач была построена численная модель рельефа поймы и русла реки на исследуемом участке, создана и верифицирована по натурным данным двумерная гидродинамическая модель движения воды. На основе математической модели оценены зоны затопления в районе участка планируемого освоения поймы; в ходе численных экспериментов проведено сопоставление уровней воды, глубин затопления, скоростей течения в современных условиях и при реализации проекта освоения поймы в условиях прохождения по р.Москве расходов воды малой обеспеченности.

Результаты:
Результаты моделирования позволили уточнить размещение и характеристики дамб обвалования по границе проектируемой застройки и мощность слоя подсыпки территории внутри этой границы, что позволяет существенно уменьшить площадь затопления Захарковской поймы при паводке обеспеченностью 1%. Это дает возможность вести строительство в соответствии с градостроительными правилами. Максимальный дополнительный подъем уровней воды в р. Москве по сравнению с бытовыми не превысит 0,1 м. Такой результат достигнут благодаря рекомендации команды разработчиков модели скорректировать изначальный проект «отодвинув» дамбы обвалования на значительное расстояние от русла реки, что исключает сильное стеснение живого сечения потока в период прохождения высоких вод.

Цель:
Научное обоснование и оптимизация проектных решений по Багаевскому гидроузлу на основе численного моделирования течений и русловых деформаций в верхнем и нижнем бьефах при различных гидрометеорологических условиях для разных вариантов компоновки и параметров водосбросных и судоходных сооружений.

Задачи:

• проведение с использованием компьютерной гидродинамической модели гидравлических исследований, связанных с пропуском воды и судов;
• определение отметки порога водосброса, а также состава и параметров гидротехнических сооружений проектируемого гидроузла при условии создания в верхнем бьефе сезонного водохранилища с заданными проектными отметками, обеспечения необходимых габаритов судового хода и возможности прохода рыбы на нерест через раскрытый гидроузел в период весеннего половодья;
• разработка рекомендаций по оптимизации проекта Багаевского гидроузла.

Методика:

Исследования включали разработку гидродинамической модели долины Нижнего Дона от Кочетовского гидроузла до Таганрогского залива Азовского моря с учетом широкой поймы, дамб обвалования и дорожных сооружений на ней. Разработана крупномасштабная «локальная» модель гидроузла и прилегающего участка р. Дон. С ее помощью выполнялись расчеты пропускной способности водосливной плотины и судоходного шлюза, скоростных режимов на водосбросе, а также проводилась оценка возможных деформаций дна в нижнем бьефе.

Результаты:
1. Обоснована возможность снижения НПУ Багаевского водохранилища на 0,8 м с обеспечением заданных габаритов судового хода (глубины, ширины и радиуса закругления). Снижение проектных отметок позволило, в частности, существенно уменьшить зоны затопления и подтопления по берегам водохранилища, увеличить интенсивность водообмена и улучшить его гидроэкологический режим.
2. Выявлено сильное влияние хозяйственного освоения поймы Нижнего Дона (защитные дамбы, дороги, рыбхозы и т.п.) на гидрологический режим реки при пропуске высоких половодий. Максимальные отметки затопления в районе Багаевского гидроузла в современных условиях примерно на 1 м будут превышать отметки, которые наблюдались 50 лет назад и более при тех же расходах воды. Это учтено при проектировании.
3. Определены условия прохождения через гидроузел расходов воды редкой повторяемости. Так, например, что при пропуске высоких половодий с затоплением поймы вплоть до расхода воды обеспеченностью 0,1% максимальный перепад уровней при полностью раскрытой водосбросной плотине не превышает 0,1 м, т.е. гидроузел при работе в безнапорном режиме практически не влияет на гидрологический режим Нижнего Дона.
4. Выполнены расчеты гидравлических режимов для новой компоновки гидроузла. Установлено, что максимальные скорости на водосбросе полностью раскрытой плотины не превышают 1 м/с, что позволяет осуществлять пропуск рыбы на нерест непосредственно через плотину во всем диапазоне паводковых расходов вплоть до максимальных. Деформации дна в нижнем бьефе гидроузла за рисбермой и ямой гашения незначительные, что определяется малыми скоростями течения на водосбросе.
5. Исследование влияния ветровых сгонов на уровни воды в Багаевском водохранилище и нижнем бьефе Багаевского гидроузла показало: при проектных отметках заполнения водохранилища в условиях сильных сгонов возможно существенное понижение уровней воды в верхней и средней части водохранилища, что может создать помехи судоходству. Расчеты уровней в нижнем бьефе при сгоне показывают, что даже в режиме форсировки уровня верхнего бьефа (при правильном регулировании) минимальные уровни в нижнем бьефе Багаевского гидроузла могут упасть на 0,2 м ниже, чем при аналогичном сгоне в бытовых условиях. Полученные результаты позволили оптимизировать режим эксплуатации водохранилища при сгонно-нагонных явлениях.

ВКК состоит из 11 гидроузлов и водохранилищ на реках Волге и Каме. Их суммарный полезный объем составляет около 80 кубических км. Это крупнейший в РФ каскад водохранилищ. Чтобы избежать вероятной каскадной гидродинамической аварии при экстренной сработке водохранилищ (прорыва напорного фронта одного из гидроузлов с переполнением нижележащего водохранилища, переливом через гребень нижележащей плотины с ее последующим разрушением), необходим точный расчет и четкая схема поведения персонала на каждом гидроузле каскада в зависимости от аварийной ситуации. Соответствующие исследования по заказу Федерального агентства водных ресурсов проведены специалистами ИВП РАН с использованием современных технологий численного моделирования на основе одномерных и двумерных уравнений Сен-Венана с применением неструктурированных адаптивных сеток.

Цель:
Разработка схемы экстренного опорожнения водохранилищ Волжско-Камского каскада гидроузлов в случае возникновения чрезвычайных ситуаций природного и антропогенного характера.

Задачи:

• разработка численных гидравлических моделей отдельных звеньев каскада, включающих два-три смежных водохранилища;
• модельный расчет экстренного опорожнения водохранилищ по трем сценариям: 1) при фактическом разрушении напорного фронта одного из гидроузлов; 2) при угрозе разрушения напорного фронта одного из гидроузлов; 3) в условиях ЧС, когда может потребоваться сработка всех или большинства водохранилищ до безопасных отметок;
• разработка оптимальных регламентов сработки водохранилищ ВКК.

Результаты:
Созданы три независимые компьютерные модели для следующих звеньев каскада:
1 модель – Камское, Воткинское и Нижне-Камское водохранилища;
2 модель – Рыбинское, Горьковское и Чебоксарское водохранилища;
3 модель – Куйбышевское, Саратовское и Волгоградское водохранилища.
По этим моделям были проведены вариантные расчеты волн прорыва при различных сценариях опорожнения водохранилищ и выяснены условия сработки, при которых не возникает переполнения водохранилищ и каскадной гидродинамической аварии. Выявлены наиболее ущербообразующие гидроузлы каскада - Куйбышевский, Камский и Волгоградский. Для них впервые построены графики связи сбросных расходов и максимальных уровней верхних бьефов при прохождении волны прорыва. Найдены режимы оптимального управления для предотвращения каскадной аварии и минимизации ущербов. Так, выявлено, что предварительная сработка наиболее ущербообразующих водохранилищ каскада ликвидирует опасность каскадной аварии, а также существенно уменьшает величину ущербов от прохождения волны прорыва. Предложен режим наиболее безопасной глобальной сработки гидроузлов каскада на случай природной или антропогенной ЧС.

Цель:
Научное обоснование мероприятий по предотвращению возможных аварий на Чайковском шлюзе, входящем в комплекс напорных сооружений Воткинской ГЭС. Оценка вероятного вреда от аварии напорного фронта Чайковского шлюза.

Задачи:

• создание компьютерной двумерной в плане гидродинамической модели аванпорта, двух ниток шлюза с камерами и порогами, подходного канала в нижнем бьефе, участка р. Камы от створа Воткинской ГЭС до 1912 км судового хода;
• численная реализация сценариев развития аварии на шлюзе, предусмотренных Декларацией безопасности Чайковского шлюза;
• разработка рекомендаций по защите ГТС Воткинского водохранилища от потенциальных аварий.

Методика:
В ходе реализации проекта рассматривались два основных сценария.
Сценарий №1: прорыв напорного фронта из-за разрушения ворот верхней головы шлюза при открытых воротах нижней головы.
В качестве начальных условий в Воткинском водохранилище задавался нормальный подпорный уровень, на ГЭС – меженный расход 1200 м3/с, на выходной границе численной модели подбиралось значение уровня воды реки, при котором уровень нижнего бьефа ГЭС составлял бы 66,00 м. В Чайковском шлюзе верхние ворота были закрыты, а нижние – открыты.
Расчетами установлены максимальные скорости воды в камере шлюза – около
5 м/с, на порогах – около 10 м/с, в низовом канале – от 4 м/с до 2 м/с. Показано, что в результате максимальные уровни затопления в нижнем бьефе превышают нормальный судоходный уровень на 1,3 м – 0,5 м (на выходе из канала). При этом они не приводят к затоплениям застроенной территории, лежащей на более высоких отметках. При прорыве левой камеры транзитная струя распространяется вдоль причальной стенки, а под правым берегом возникает возвратное циркуляционное течение.
Сценарий №2: разрушение нижних рабочих двухстворчатых ворот шлюза при открытых воротах верхней головы и уровне в камере, равном уровню верхнего бьефа. Наиболее тяжелый сценарий по параметрам волны прорыва. Начальные условия задавались такими же, что и для сценария №1, за исключением того, что в Чайковском шлюзе верхние ворота были открыты, а нижние – закрыты. После установления течения по р. Каме моделировалось мгновенное разрушение нижних ворот отдельно для левой и правой камер шлюза.
Показано, что для этого сценария параметры волны прорыва – более разрушительные. Более высокие скорости течения по сравнению со сценарием №1 приведут к сильным повреждениям шлюзующихся или ожидающих шлюзования судов. Максимальные уровни затопления в нижнем бьефе превышают нормальный судоходный на величину от 4м (у нижней головы шлюза и причальной стенки) до 0,5м (на выходе из канала), при этом так же, как и при сценарии №1 не произойдет затоплениям застроенной территории. Волна прорыва из-за асимметрии нижнего бьефа ударяет сначала в правый берег, отражается от него и ударяет в левобережную причальную стенку. Выполнено моделирование динамики расходов воды и опорожнения шлюза с учетом конструктивных особенностей камеры и аварийного режима его эксплуатации.

Результаты:
Детальный анализ вероятных сценариев гидродинамической аварии шлюза показал невозможность ее распространения на прорыв напорного фронта Воткинской ГЭС в целом. Результаты исследований легли в основу оценки вероятного вреда от аварии напорного фронта Чайковского шлюза.

Цель:
Оценка влияния дорожной инфраструктуры (мостовых переходов) на развитие паводка, образующегося в долине р. Истры в результате прорана в грунтовой плотине.

Задачи:

• создание математической модели для участка долины р. Истры;
• расчет параметров волны прорыва (уровней и глубин затопления, скоростей течения, времен добегания), возникающей при возможной гидродинамической аварии напорного фронта Истринского гидроузла;
• проведение многовариантных расчетов по модели с учетом изменчивости исходных параметров;
• проведение анализа влияния развитой дорожной сети на параметры прорывного паводка;
• оценка потенциального ущерба в результате аварии;
• разработка рекомендаций по эксплуатации ГТС на р. Истре и развитию дорожной инфраструктуры в нижнем бьефе гидроузла.

Методика:
Гидравлические исследования проведены методами компьютерного моделирования с применением современных апробированных численных алгоритмов, ГИС-технологий и электронных топографических карт. Расчет параметров волны прорыва проведен по программе STREAM 2D HPC на основе численного решения двумерных уравнений Сен-Венана на треугольно-четырехугольных сетках нерегулярной структуры с учетом реальной топографии долины реки, полученной с карт М 1:10 000 и М 1:200 000. Математической моделью учтено влияние восьми крупных мостовых переходов на гидравлику реки. Рассмотрены два основных сценария гидродинамической аварии: образование прорана в грунтовой плотине Истринского гидроузла с разрушением мостовых переходов и без такового.

Результаты:
Модельные расчеты показали, что параметры затопления нижнего бьефа и ущербы в пределах точности расчетов (около 5% по глубинам и зонам затопления) практически не будут зависеть от начальных гидрологических условий в долине р.Истры. Мостовые переходы оказывают существенное влияние на глубины и площади затопления. При оценке уровней высоких вод и границ зон затопления важно в первую очередь учитывать перегораживающие пойму дорожные сооружения.В каждом случае расчетами установлены максимальные ширина прорана, расходы через него и время их формирования. Рассчитаны максимальные скорости течения и расходы воды у всех мостовых переходов и в устье р.Истры, а также время добегания волны паводка.

Цель:
Научное обоснование мероприятий по предотвращению угрозы затопления г. Ярославля в случае возникновения волны прорыва напорного фронта Рыбинского гидроузла с учетом особенностей жилищной застройки.

Задачи:

• разработка численной гидродинамической модели участка долины р. Волги от верховьев Рыбинского водохранилища до устья р. Кубань (приток р. Волги ниже г. Костромы) общей протяженностью более 300 км, включая сооружения Рыбинского гидроузла, жилую и промышленную застройку и дорожную инфраструктуру г. Ярославль;
• моделирование волны прорыва и гидрографа прорывного паводка с помощью гидродинамической модели.

Методика:
Выполнен расчет нескольких сценариев аварийных ситуаций согласно декларации безопасности Рыбинского гидроузла, включая разрушение дамбы №46 (Шекснинский створ) при отметке верхнего бьефа, равной нормальному подпорному уровню, а также прорыв грунтовой плотины Волжского створа при уровне верхнего бьефа, равном форсированному подпорному уровню (ФПУ), на фоне половодья обеспеченностью 0,01%. По каждому из сценариев были выполнены расчеты параметров волны прорыва от гидродинамической аварии с учетом особенностей городской и инженерной инфраструктуры города.

Результаты:
Моделирование позволило получить полную картину распределения глубин и скоростей течения на затапливаемой территории, установить конфигурацию и площадь затопления городской территории, их изменение в ходе развития аварийных ситуаций и длительность стояния уровней. По результатам расчетов максимальных уровней воды на гидропосту Ярославль для различных сценариев был построен график связи уровней воды с вероятностью достижения этих уровней. Это позволяет построить кривую рисков затопления города и на её основе дать обоснованные рекомендации по необходимым мероприятиям инженерной защиты.

Краснодарский гидроузел расположен в среднем течении р. Кубань в 248 км от ее устья в пределах Теучежского района Республики Адыгея, на восточной окраине г. Краснодара, Краснодарского края. В состав гидроузла входит водосбросное сооружение и рыбоподъемник, судоходный шлюз, земляная плотина общей протяженностью 11,4 км расположена в пределах поймы р. Кубань, примыкая на правом берегу к крутому уступу второй надпойменной террасы, а на левобережье – к третьей надпойменной террасе. Высота плотины в районе поймы 14-16 м, в районе русла – до 21 м.


Цель:
Научное обоснование оценки вероятного вреда от гидродинамической аварии на ГТС.

Задачи:

• построение численной модели Краснодарского водохранилища, сооружений гидроузла, участка русла р. Кубань и поймы в границах предполагаемого затопления;
• моделирование гипотетического сценария (не основано на реальной угрозе) каскадной аварии на Краснодарском гидроузле.
• расчет распространения волны техногенного паводка в нижнем бьефе с образованием двух последовательных проранов в плотине и железнодорожной насыпи, перегораживающей пойму;
• анализ результатов и разработка рекомендаций по безопасной эксплуатации гидроузла.

Методика:
Численная модель построена на основе детальной трехмерной цифровой модели рельефа, актуализированного на современное состояние инфраструктуры низкой широкой поймы в нижнем бьефе Краснодарского гидроузла. Расчетная сетка - гибридная треугольно-четырехугольная нерегулярной структуры с длинами сторон от 8 м на плотине до 150 м на удаленных участках поймы и водохранилища (113 129 ячеек).
Сценарий:  при заполненном до уровня ФПУ водохранилище возникает проран в теле земляной плотины на некотором удалении от водосбросного сооружения. В нижнем бьефе формируется техногенный паводок, продвижению которого мешает железнодорожная насыпь, перегораживающая всю левобережную пойму. Она начинает фактически выполнять функцию плотины, пропуская часть расхода волны прорыва через пойменные и русловой мосты. В определенный момент уровень воды достигает гребня железнодорожной насыпи, начинается перелив, приводящий к образованию второго прорана в теле железной дороги.
Моделирование прорана выполнено по новой разработанной физико-математической модели расчета развития прорана в грунтовых плотинах, входящей в программный комплекс STREAM 2D CUDA.

Результаты:
Получен весь комплекс параметров волны прорыва, необходимый, в частности, для определения величины вероятного вреда от гидродинамической аварии на ГТС.

Краснодарское водохранилище, моделирование формирования прорана в теле плотины →

Краснодарское водохранилище, моделирование распространения волны →

Река Дюрсо протекает по центральной части Абрауского полуострова, ее длина
14 км, площадь водосбора около 53,7 км2, годовой сток 0,45 км3. Водохранилище Дюрсо, теперь именуемое озеро Бам, располагалось в среднем течении реки Дюрсо, на расстоянии 7 км от места впадения р. Дюрсо в Черное море, ввод в эксплуатацию осуществили в 1976 г. Объем при нормальном подпорном уровне составлял
4,5 млн.м3 (по оценкам в момент аварии он был увеличен до 6 млн.м3), площадь – 0,4 км2, протяженность 1,5 км. В августе 2002 г. после продолжительных интенсивных осадков произошло переполнение водохранилища, перелив через гребень плотины и ее частичное разрушение.


Цель:
Ретроспективное моделирование гидродинамической аварии на плотине из неоднородного связного грунта, выполненное комплексно.

Задачи:

• расчет гидрографа дождевого паводка, приведшего к разрушению плотины;
• моделирование частичного разрушения каменно-земляной плотины с учетом неоднородности и наличия сцепления в грунте, слагающем ее тело;
• расчет распространения волны прорывного паводка в долине р. Дюрсо, воспроизведение динамики гидродинамической аварии от начала подъема до спада уровней воды (окончания затоплений).

Методика:
Построено две численных модели на основе гибридных (треугольно-четырехугольных) адаптивных расчетных сеток нерегулярной структуры, содержащих 109185 и 78085 ячеек, соответственно:
- модель 1 водосбора р. Дюрсо от истоков до выхода в Черное море (предназначена для расчета поверхностного стока на основе данных часовой гистограммы дождевых осадков).
- модель 2 включает в себя водохранилище и участок нижнего бьефа в границах предполагаемого затопления. Общая протяженность – около 10,6 км, в том числе
1,6 км – водохранилище, 7,8 км – р. Дюрсо от створа плотины до устья, и 0,8 км – участок Черного моря (предназначена для моделирования гидродинамической аварии).
По модели 1 получен гидрограф расхода дождевого паводка, имеющий два пика вслед за пиками осадков. Применялся метод расчета 100% поверхностного стока. Для дальнейших расчетов выбран второй пик, т.к. расчетным путем было проверено, что первый пик осадков не приводит к переполнению водохранилища.
По модели 2 выполнен расчет наполнения водохранилища, перелив через гребень плотины, ее частичное разрушение и распространение техногенного паводка в долине р. Дюрсо. Моделирование выполнялось при непрерывном счете на программном комплексе STERAM 2D CUDA.

Результаты:
Описана динамика аварии на всем протяжении времени от подъема до прохождения максимумов и спада уровней воды. Получены поля скоростей и глубин воды в каждой точке расчетной сетки, построены гидрографы расхода в проране и створах ниже по течению. Выполнена 3D-визуализация результата размыва плотины и плановая картина отложений вынесенного из тела плотины грунта для каждой из фракций в отдельности.

Река Пёза - последний по течению крупный правобережный приток р.Мезени. Площадь ее бассейна составляет 15 100 км², длина – 515 км. Деревня Бычье и гидрологический пост Игумново находятся в 66 км выше впадения Пёзы в Мезень, средний годовой расход воды здесь 123 м3/с, максимальный – 1940 м3/с (2005 г.). В 2003-2008 гг. в результате прорыва шейки излучины Быченское сельское поселение с постоянным населением более 500 человек оказалось отрезано от автодорожной сети региона. В результате развития протоки, спрямляющей излучину, оказалась размытой единственная дорога, соединяющая поселение с районным центром и всей дорожной инфраструктурой России. Это вызвало необходимость организации паромной переправы, которая действует не круглый год и только в светлое время суток.

Цель:
Разработка технологии численного моделирования развития излучин.

Задачи:

• тестирование программного комплекса STREAM 2D CUDA на реальном участке речной долины, где произошла кардинальная перестройка русла;
• проверка его способности моделировать горизонтальные русловые деформации, в частности, прорывы излучин.

Методика:
Численное моделирование выполнено с использованием последней версии программного комплекса модель STREAM_2D CUDA, предназначенной для расчета течений, деформаций дна и переноса загрязнений в открытых потоках с использованием технологии CUDA (Compute Unified Device Architecture) на графических процессорах NVIDIA. Для области моделирования построена гибридная сетка (37 329 ячеек), состоящая из элементов четырехугольной формы с шириной ячеек 10-12 м и длиной 20-25 м на русло и треугольной – на пойму с длинами сторон треугольников от 20 м на бровках русла до 200 м у тыловых швов долины.

Результаты:
Моделирование развития русла р.Пёзы в районе Быченского сельского поселения  с использованием отечественного программного комплекса STREAM_2D CUDA продемонстрировало его способность реалистично воспроизводить основные этапы и механизмы прорыва излучины, включая образование спрямляющей протоки, ее расширение и углубление, блокирование побочнем и заиление старого русла.
Успешное ретроспективное моделирование позволяет рассматривать программный комплекс STREAM_2D CUDA как инструмент моделирования и прогноза русловых деформаций, что может послужить основой разработки стратегии минимизации риска опасных русловых процессов на реках России.

Цель:
Научное обоснование предотвращения и минимизации неблагоприятных последствий при развитии гидродинамических аварий на каскаде водохранилищ.

Задачи:

• разработка математической модели Урало-Кушумской ООС: Кушумский канал (рукав р. Урал) и каскад четырех водохранилищ (Кировское, Битикское, Донгелекское, Пятимарское) с объемом более 50 млн. м3 каждое;
• моделирование каскадной гидродинамической аварии на ООС: расчет волн прорыва и зон затопления при разрушении напорного фронта каждого из водохранилищ системы с учетом каскадной аварии;
• многовариантные расчеты по нескольким сценариям для каждого из водохранилищ: мгновенное разрушение плотины, постепенное развитие прорана в теле плотины, перелив через гребень плотины при переполнении водохранилища с дальнейшим развитием прорана;
• анализ результатов расчетов и разработка рекомендаций по предотвращению аварий гидродинамического характера на каскаде водохранилищ.

Результаты:
Моделирование показало, что самые неблагоприятные варианты аварии развиваются на фоне половодья и притока к Кировскому водохранилищу в размере более 150 м3/с. Такими вариантами являются:
- мгновенное разрушение плотины Кировского гидроузла (маловероятный);
- разрушение плотины при переполнении водохранилища с последующим размывом грунтовой плотины (основной модельный).
Для каждого варианта рассчитаны параметры гидродинамической аварии, включая максимальные расходы воды, время их формирования и распространения фронта прорывной волны до нижерасположенного Битикского гидроузла, глубины и скорости течения воды на пойме. В частности показано, что в процессе развития паводковой ситуации переполнение Битикского водохранилища произойдет на 5-е сутки после аварии даже несмотря на то, что сбросы с этого водохранилища в нижний бьеф будут соответствовать максимальной пропускной способности гидротехнических сооружений.
Установлены параметры разрушения Битикского гидроузла. Показано, что волна прорыва уже через 6 часов достигнет п. Первомайское, а также автодорожного моста ниже поселка, затапливая обширные территории по обоим берегам р. Кушум. Показано, в частности, что максимальная высота волны при каскадной аварии на 1 м выше, чем при аварии только на Битикском гидроузле. Это ведет к затоплению значительно больших территорий, формированию больших глубин затопления и скоростей течения. Аналогичные расчеты выполнены для всех нижерасположенных гидроузлов в каскаде.
Минимизировать последствия аварии поможет заблаговременная сработка Битикского и Донгелекского водохранилищ при возникновении предпосылок возможного переполнения Кировского водохранилища.
Полученные в результате моделирования гидродинамической аварии на каскаде водохранилищ зоны, уровни и глубины затопления, максимальные скорости течения, а также времена добегания прорывной волны стали основой для составления планов оперативных действий МЧС и других ведомств в случае возникновения чрезвычайной ситуации.

Цель:
Научное обоснование анализа влияния гидротехнического строительства на гидрологические условия и русловые процессы р.Амур на основе численной гидродинамической модели.


Задачи исследований:

• построение численной гидродинамической модели узла слияния рек Амура и Зеи на участке русла протяженностью 50 км;
• оценка влияния строительства набережной в г. Благовещенске (Россия) на развитие русловых процессов в р. Амур;
• оценка влияния отсечения бокового русла р. Амур путем возведения перекрывающих дамб в районе островов Большой Хэйхэ и Ханжа (Китай) на интенсивность развития русловых процессов в основном русле.

Методика:
При решении второй задачи были выполнены прогнозные расчеты русловых деформаций для пятилетнего периода для двух основных сценариев: в отсутствие дамб – (1), при их наличии – (2).

Результаты:
Расчеты показали, что в результате влияния дамб при водности р.Амур в диапазоне 1500-5500 м3/с расход воды пойдет по основному руслу и возрастет на 20 %. В этом случае уровни воды в районе г. Благовещенска при прочих равных условиях будут в среднем на 15-20 см выше, чем в отсутствие дамб. При увеличении расходов и достижении критических величин (развитие событий 2013 г.) дамбы переливаются. Их влияние становится менее выраженным (прирост расходов – 5-6 %, прирост уровней – 10-15 см). При увеличении расходов вырастет и размывающая способность потока (скорости течения ниже слияния увеличиваются на 0,35 м/с), что приводит к дополнительным размывам, особенно интенсивным ниже узла слияния двух рек.