Krasnoyarsk, Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
employee
Krasnoyarsk, Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
UDC 004.9
UDC 614.8
The article examines the critically important task of ensuring the unconditional safety of hydroelectric facilities, using the Krasnoyarsk Hydroelectric Power Plant as a case study, which possesses a massive hazard potential. The relevance of the research is driven by the necessity of conducting a preventive risk analysis to avert catastrophic consequences associated with large-scale flooding. A systematization of threats has been carried out, dividing them into external (seismic impacts, extreme floods) and internal (failures of electrical and hydro-mechanical equipment, degradation of structures). Based on this classification, two detailed emergency scenarios have been developed: the most probable (equipment failure during the passage of a flood with a recurrence interval of 0.1%) and the worst-case (a cascade failure of all generating units, analogous to the accident at the Sayano-Shushenskaya HPP, during a flood with a recurrence interval of 0.01%). The methodological foundation of the work is hydrodynamic modeling of flood zones using the HEC-RAS software complex. A step-by-step methodology is described in detail: preparation of a digital elevation model and river channel geometry in QGIS, configuration of structure parameters and boundary conditions, model verification, and execution of steady and unsteady flow calculations. The modeling results are presented as quantitative estimates of flood parameters (maximum depths, flow velocities, wave travel time) for a number of settlements in the upstream and downstream pools. It has been established that the realization of the worst-case scenario leads to the inundation of an area of 575 km² in the upstream pool and the propagation of a flood zone extending 364 km in the downstream pool with increased hydraulic parameters.The obtained results create a scientifically grounded foundation for assessing potential damage and developing specific preventive measures to enhance the safety of the hydraulic structures.
risk analysis, emergency situations, digital elevation model, information support, flood zones, Unified State System for Emergency Prevention and Response, consequence assessment
Обеспечение безусловной безопасности объектов гидроэнергетики, к которым относятся гидротехнические сооружения Красноярской гидроэлектростанции, представляет собой критически важную задачу в силу их гигантского потенциала опасности, реализация которого в случае аварии может привести к катастрофическим последствиям, включая масштабные затопления обширных густонаселенных территорий, колоссальный материальный ущерб и недопустимые человеческие жертвы [1-2]. Проведение превентивного анализа всех возможных рисков, основанного на моделировании наихудших сценариев, является неотъемлемой частью стратегии упреждающего управления безопасностью таких критически важных объектов, каким является Красноярская ГЭС, что и определяет актуальность данного исследования, направленного на систематизацию угроз, разработку аварийных сценариев и всестороннюю оценку их возможных последствий.
Тщательный анализ природно-климатических условий района расположения, конструктивных особенностей и эксплуатационных режимов Красноярской ГЭС позволяет провести четкую классификацию источников опасности, разделив их на две фундаментальные группы: внешние, обусловленные воздействием природных сил, и внутренние, связанные с техногенными факторами [3-4].
К числу наиболее значимых внешних природных опасностей относятся, прежде всего, сейсмические воздействия в виде расчетных землетрясений, включая повторные толчки, способные создавать динамические нагрузки, критичные для устойчивости плотины, а также гидрологические явления экстремальной интенсивности, такие как паводки редкой повторяемости обеспеченностью 0,1% и 0,01%, при этом особую угрозу представляет неблагоприятное сочетание нескольких природных факторов, например, одновременное возникновение максимального расчетного паводка и ливневой опасности или высокая приточность в водохранилище в условиях аномально низких температур воздуха, что может провоцировать образование ледовых заторов.
Внутренние техногенные источники опасности, инициируемые с самой структурой гидроузла, включают в себя широкий спектр потенциальных отказов, начиная от внезапных повреждений электротехнического оборудования, таких как короткое замыкание фазы трансформатора, что имело исторический прецедент в 2006 году [5], или полная потеря внешнего электроснабжения собственных нужд станции, и заканчивая катастрофическими отказами гидромеханического комплекса, наиболее тяжелым примером которого является авария на гидроагрегате с последующим затоплением машинного зала, по аналогии с событиями на Саяно-Шушенской ГЭС в 2009 году [6], что может привести к каскадному отказу всех двенадцати агрегатов. Помимо этого, к внутренним угрозам относятся постепенные процессы деградации и старения основных конструкций, такие как нарушение проектной прочности бетона, возникновение в основании плотины зон с повышенной водопроницаемостью и пониженными физико-механическими свойствами, развитие опасных фильтрационных деформаций, в том числе суффозии, а также систематические отступления от регламентированных проектных требований в процессе длительной эксплуатации сооружения [7-8].
На основе проведенной классификации были разработаны и детально проработаны два принципиальных аварийных сценария, один из которых рассматривается как наиболее вероятный, а второй — как наихудший из мыслимых, но потенциально возможных.
Наиболее вероятный сценарий развития аварии предполагает ситуацию, когда гидроузел осуществляет пропуск экстремального паводка обеспеченностью 0,1% при нормальном подпорном уровне водохранилища 243,0 метра и полной загрузке всех двенадцати гидроагрегатов. Инициирующим событием в данном случае является отказ электротехнического оборудования, а именно короткое замыкание одной фазы трансформатора блока ОРУ 500 кВ, которое, в соответствии с главной электрической схемой станции, вынуждает остановить два гидроагрегата, что приводит к мгновенной потере 1200 кубических метров в секунду пропускной способности. В условиях продолжающегося мощного притока воды гидроузел теряет возможность пропускать весь поступающий объем, что вынуждает эксплуатирующую организацию в качестве меры крайней необходимости, санкционированной государственной паводковой комиссией, пойти на вынужденное форсирование уровня верхнего бьефа выше нормального подпорного уровня, но ниже форсированного подпорного уровня, в диапазоне от 243,0 до 245,0 метров, для увеличения расхода через водосливную плотину, что неизбежно приводит к затоплению части береговой зоны Красноярского водохранилища.
Наиболее тяжелый сценарий, обладающий катастрофическим потенциалом последствий, моделирует условия работы гидроузла на уровне приточности обеспеченностью 0,01% при нормальном подпорном уровне, когда происходит крупная авария на одном из гидроагрегатов, по своему характеру и масштабам аналогичная аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, с затоплением машинного зала потоком воды. Учитывая компактное расположение основных электросиловых линий, распределительных устройств и систем управления в здании ГЭС, воздействие потока воды приводит к каскадному отказу и потере всех двенадцати гидроагрегатов суммарной пропускной способностью 7200 кубических метров в секунду [9]. Полная или почти полная потеря возможности пропускать воду через гидроагрегаты вызывает неконтролируемый апериодический процесс наполнения водохранилища, для сдерживания которого требуется экстренное перефорсирование уровня верхнего бьефа вплоть до отметки гребня плотины, что вызывает катастрофическое затопление обширных территорий как в верхнем, так и, что особенно опасно, в нижнем бьефе станции.
Методика расчета параметров зон затопления при реализации аварийных сценариев на гидротехнических сооружениях (ГТС) Красноярской ГЭС основана на гидродинамическом моделировании с использованием программного комплекса HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center - River Analysis System) [10], разработанного Инженерным корпусом армии США. Эта методика сочетает анализ гидрографов притока, расчеты стационарного и нестационарного потоков, а также учет природно-климатических условий региона. Расчеты проводятся в несколько этапов, с учетом теоретических основ гидродинамики, включая уравнения энергии, импульса и непрерывности. Ниже приведено подробное описание методики, включая математические основы, этапы подготовки данных, верификацию модели и интерпретацию результатов. Методика соответствует рекомендациям по моделированию затоплений в условиях чрезвычайных ситуаций (ЧС), с опорой на данные ПИВР (Проект инженерно-водохозяйственных работ) и инструкции по эксплуатации ГТС.
Моделирование проводилось в несколько этапов:
1. Процесс подготовки к расчетам начинается с формирования комплексной цифровой модели рельефа, которая включает в себя детальное построение не только основного русла реки Енисей, но и моделей обоих берегов с учетом пойменных террас и прилегающих территорий, что обеспечивает корректное моделирование процессов затопления при выходе воды из главного канала. На основе этой цифровой модели производится генерация системы поперечных профилей (сечений), которые являются ключевыми элементами одномерной гидравлической модели, при этом их расположение и плотность должны адекватно отображать все существенные морфологические изменения русла и поймы. Для учета сопротивления, оказываемого руслом и поймой потоку воды, каждому участку поперечного сечения в зависимости от типа территории и характера растительного покрова присваивается коэффициент шероховатости Маннинга (n), причем первоначально заданные значения впоследствии проходят процедуру калибровки на основе сравнения результатов моделирования в штатных режимах с данными, приведенными в Правилах использования водных ресурсов (ПИВР) [11], что позволяет минимизировать систематическую ошибку модели. Для повышения точности моделирования в районе расположения Красноярского гидроузла дополнительно учитываются расходы наиболее значимых притоков, расположенных ниже по течению от створа ГЭС, для которых в рамках данного исследования принимаются их среднемноголетние значения, предполагающие стабильный фоновый приток. Весь процесс подготовки исходных пространственных данных, включая создание цифровой модели рельефа, генерацию поперечных сечений и атрибутирование их коэффициентами шероховатости, эффективно осуществляется в среде геоинформационной системы QGIS [12] с использованием специализированного модуля RiverGIS, который оптимизирован для подготовки данных для гидравлических расчетов.
2. Экспорт данных, настройка модели и задание граничных условий. После завершения подготовки всех необходимых исходных слоев производится их экспорт в специализированный формат, читаемый программным комплексом HEC-RAS [13], что визуализировано на Рис.1 и 2, где отображена построенная геометрическая модель водотока с наложенной сеткой поперечных сечений. В рамках настройки гидравлической модели в HEC-RAS осуществляется ввод и параметризация всех ключевых инженерных сооружений, оказывающих непосредственное влияние на поток, к которым относятся само водохранилище Красноярской ГЭС с его объемно-высотной характеристикой, мостовые переходы через Енисей, конструкция водосливной плотины, для которых задаются соответствующие геометрические и гидравлические параметры. Критически важным этапом является корректное задание граничных условий для расчетной области: для верхнего бьефа в качестве граничного условия задаются гидрографы притока воды в водохранилище расчетной обеспеченности, а именно 0,1% для сценария наиболее вероятной аварии и 0,01% для сценария наиболее тяжелой аварии, в то время как для нижнего бьефа используется установленная зависимость расхода воды от уровня в нижнем бьефе. Пропускная способность водосбросных сооружений и гидроагрегатов определяется в модели по стандартным кривым пропускной способности, которые регламентированы и приведены в официальной Инструкции по эксплуатации гидротехнических сооружений Красноярской ГЭС за номером 102-36-7.0-1.07/0003, а для установления связи между уровнем воды и объемом водохранилища используется зависимость, приведенная в ПИВР.
Рис.1. Импорт сечений в HEC-RAS 5.0.3
Рис.2. HEC-RAS – геометрия для нижнего бьефа модели
3. Верификация модели и проведение гидравлических расчетов. Для обеспечения численной устойчивости и точности расчетов нестационарного потока расстояние между соседними поперечными сечениями выбирается на основе строгих гидравлических критериев, а именно формул Фредда (1) и Семюэлса (2).
| (1) |
где, ∆𝑥 – среднее расстояние между сечениями, 𝑇𝑟 – время нарастания волны затопления, 𝑐 – скорость распространения волны затопления.
| (2) |
где, ∆𝑥 – среднее расстояние между сечениями, 𝐷 – средняя глубина основного канала, 𝑆0 – средний уклон основного канала.
Использование этих двух критериев в совокупности позволяет выбрать такой шаг разбивки, который гарантирует отсутствие численных осцилляций и физически достоверный результат.
При проведении расчетов стационарного потока для определения первоначального установившегося профиля уровня воды используется итерационная процедура, которая продолжается до достижения сходимости решения с заданным допуском, составляющим 3 миллиметра по отметке водной поверхности. Расчеты нестационарного потока, необходимые для моделирования развития аварии, организуются пофазино, где выделяются фаза нормальной работы гидроузла, фаза развития аварийной ситуации и фаза заполнения водохранилища или формирования волны прорыва, при этом в модель закладываются возможные неопределенности, связанные с точностью исходных данных. В случае если в процессе итераций для какого-либо сечения не удается достичь сходимости в пределах максимально допустимого числа итераций, установленного в 20 попыток, программа в качестве окончательного ответа использует то значение отметки водной поверхности, которое соответствовало минимальной ошибке в процессе вычислений, что позволяет продолжить расчет всей модели даже в условиях локальных сложностей.
4. Импорт результатов и их пространственный анализ. После успешного завершения гидравлических расчетов производится экспорт результирующих данных из HEC-RAS в виде таблиц, содержащих для каждого расчетного сечения и для каждого момента времени значения ключевых параметров, таких как отметка водной поверхности, средняя скорость потока и глубина затопления. Эти табличные данные затем импортируются обратно в геоинформационную систему QGIS для их дальнейшей пространственной обработки и анализа, в ходе которого территория, подверженная затоплению, определяется как область, где расчетная поверхность воды превышает отметки цифровой модели рельефа местности. На основе этого пространственного анализа производится расчет интегральных характеристик последствий аварии, включая общую площадь и протяженность зоны затопления, распределение максимальных глубин и скоростей течения по территории, а также определяется время добегания волны прорыва от створа плотины до ключевых населенных пунктов и объектов инфраструктуры.
5. Учет аварийных сценариев и ограничений применяемой методологии. Моделирование аварийных ситуаций проводится в строгом соответствии с разработанными сценариями: для сценария 1 в модели последовательно воспроизводятся фаза нормальной работы до достижения нормального подпорного уровня (НПУ), фаза аварии, характеризующаяся подъемом уровня в верхнем бьефе и полным открытием водосбросов, при этом расход через еще работающие гидроагрегаты учитывается по их паспортным расходным характеристикам. Для сценария 2 моделируются фаза нормальной работы, фаза аварии, предполагающая полное прекращение потока через все гидроагрегаты, и фаза интенсивного заполнения водохранилища, когда сброс осуществляется исключительно через водосливную плотину. Важно отметить, что применяемая одномерная модель, несмотря на свою вычислительную эффективность, имеет естественные ограничения, поскольку она принципиально игнорирует двумерные эффекты, такие как сложная картина течений в зонах резкого расширения русла или обтекания локальных возвышенностей, а также ее точность существенно зависит от детальности и точности исходной цифровой модели рельефа и базируется на предположениях о постепенном изменении потока и относительно малых уклонах дна.
Таблица. Результаты моделирования
|
Населённый пункт |
Расстояние от створа ГЭС, км |
Сценарий 1: Отметка уровня, м абс. |
Сценарий 1: Макс. глубина, м |
Сценарий 1: Скорость, м/с |
Сценарий 2: Отметка уровня, м абс. |
Сценарий 2: Макс. глубина, м |
Сценарий 2: Скорость, м/с |
Сценарий 2: Время добегания, сут. |
|
Створ ГЭС нижний бьеф |
0 |
150,2 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
Дивногорск |
5 |
145,1 |
2 |
1,6 |
151,8 |
3 |
1,7 |
<10 |
|
Усть-Мана |
15 |
144,2 |
1 |
1,1 |
151,0 |
2 |
1,2 |
<10 |
|
Красноярск |
45 |
138,9 |
3 |
0,3 |
145,1 |
3 |
0,6 |
10 |
|
Березовка |
139,5 |
- |
3 |
0,3 |
145,2 |
3 |
0,4 |
10 |
|
Ермолаево |
73 |
133,6 |
3 |
0,25 |
138,0 |
2 |
0,2 |
10 |
|
Худоногово |
81 |
130,5 |
1 |
0,87 |
134,3 |
1 |
0,7 |
10 |
|
Есаулово |
82 |
129,1 |
3 |
0,73 |
133,3 |
3 |
0,7 |
10 |
|
Додоново |
103 |
122,9 |
2 |
0,44 |
128,2 |
2 |
0,4 |
12 |
|
Шивера |
108 |
121,0 |
2 |
0,27 |
127,8 |
2 |
0,3 |
12 |
|
Атаманово |
124 |
119,1 |
1 |
0,85 |
124,6 |
2 |
0,1 |
12 |
|
Хлоптуново |
134 |
117,8 |
2 |
0,37 |
122,7 |
1 |
0,4 |
12 |
|
Большая Бальчуг |
134 |
117,8 |
2 |
0,40 |
122,7 |
2 |
0,4 |
12 |
|
Павловщина |
173 |
109,3 |
2 |
1,15 |
114,0 |
2 |
1,0 |
13 |
|
Юксеево |
191 |
106,9 |
2 |
0,73 |
111,0 |
2 |
0,8 |
13 |
|
Луговское |
249 |
97,7 |
1 |
1,18 |
105,8 |
2 |
1,2 |
14 |
|
Галанино |
287 |
88,8 |
2 |
0,58 |
93,9 |
2 |
0,5 |
14 |
|
Казачинское |
296 |
87,8 |
<1 |
0,46 |
93,3 |
1,5 |
0,4 |
15 |
|
Новокаргино |
352 |
79,8 |
0 |
0,82 |
85,0 |
<1 |
0,8 |
15 |
|
Стрелка |
360 |
78,1 |
1 |
0,85 |
84,1 |
2 |
0,8 |
15 |
Интерпретация результатов и их практическое применение. Проведенные расчеты позволяют получить детальные количественные оценки параметров зон возможного затопления, включая распределение глубин, скоростей течения и времени добегания волны прорыва до конкретных населенных пунктов, что представлено в виде таблицы в основном тексте статьи. Для верификации и подтверждения адекватности модели использовались данные натурных наблюдений за прохождением реального паводка 2021 года, что позволяет утверждать о достаточной достоверности прогнозных расчетов. Разработанная методика и полученные с ее помощью результаты создают научно-обоснованную базу для оценки потенциального ущерба и, что более важно, для разработки и планирования конкретных предупредительных мер, таких как усиление систем мониторинга за состоянием ГТС, создание резервных систем электроснабжения критически важного оборудования и проектирование инженерных мероприятий по укреплению тела плотины.
Полученные результаты показывают, что сценарий 2 приводит к более значительным затоплениям, особенно в верхнем бьефе, где площадь затопления достигает 575 км². В нижнем бьефе для обоих сценариев длина зоны затопления одинакова (364 км), но глубины и скорости потока выше в сценарии 2.
Заключение
Таким образом, предложенная концепция ЕЦППУ РСЧС не предполагает замены человеческого опыта и решений оператора, а направлена на создание принципиально нового интеллектуального контура поддержки.
Этот контур обеспечивает повышение эффективности управления благодаря ряду ключевых функций. Во–первых, он формирует высокий уровень ситуационной осведомленности, предоставляя оператору комплексную и актуальную информацию о ситуации через интерактивный цифровой двойник. Это позволяет оперативно ориентироваться в сложных и динамичных условиях ЧС.
Кроме того, система реализует функцию прогнозирования последствий. Она работает в режиме «что, если», анализируя возможные результаты различных управленческих решений на основе математических моделей и прецедентного анализа. Это способствует более обоснованному и взвешенному выбору стратегии управления.
Важным аспектом функционирования ЕЦППУ РСЧС является оптимизация использования ресурсов. Система автоматически предлагает наиболее эффективные сценарии распределения сил и средств, что значительно повышает оперативность и результативность реагирования на ЧС.
Комплексное внедрение ЕЦППУ РСЧС способствует существенному снижению когнитивной нагрузки на сотрудников. Автоматизированный сбор, верификация и первичный анализ данных освобождают руководителей от рутинных задач. Это позволяет им сосредоточиться на стратегических аспектах управления и принимать ключевые решения в условиях ограниченного времени.
При практической реализации предложенной системы ЕЦППУ РСЧС следует учитывать ряд организационных и инфраструктурных вызовов. К организационным относятся необходимость преодоления ведомственной разобщенности, разработки единых регламентов взаимодействия и обеспечения межведомственного доверия к данным. Инфраструктурные вызовы связаны с созданием распределенной системы обработки больших данных, требующей значительных вычислительных мощностей и высокоскоростных защищенных каналов связи, особенно в удаленных регионах, а также обеспечением киберустойчивости всей системы.
Таким образом, предложенный интеграционный подход направлен на формирование интеллектуальной экосистемы, которая существенно повысит обоснованность, оперативность и результативность управленческих решений в структурах повседневного управления РСЧС. Это достигается за счет внедрения принципов проактивного и адаптивного управления, обеспечивающих своевременную идентификацию и прогнозирование рисков, а также оптимизацию ресурсов в условиях ЧС.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 25-21-20088, https://rscf.ru/project/25-21-20088/, гранта Красноярского краевого научного фонда.
1. Nekhoroshev S. N. Main Directions of Development of the Anti-Crisis Management System // Improving Civil Defense in the Russian Federation. – 2010. – Pp. 49–50. EDN: https://elibrary.ru/SLJLHN
2. Solokhov I. V. Priority Directions of Development of the System of Anti-Crisis Management of the Russian Federation / I. V. Solokhov // Improvement of Civil Defense in the Russian Federation : Materials of the 7th Scientific and Practical Conference, Moscow, October 25, 2010 / Scientific Editors: S. V. Shaposhnikov, M. I. Faleev. – Moscow : Center for Strategic Research. Civil Protection of the Russian Ministry of Emergency Situations, 2010, pp. 116–121. – EDN SKKIAN.
3. On the approval of the Fundamentals of the State Policy of the Russian Federation in the field of protection of the Population and Territories from Emergency situations for the period up to 2030: Decree of the President of the Russian Federation. Of the Russian Federation dated January 11, 2018, No. 12 [Electronic resource]. – Access mode: URL: https://www.mchs.gov.ru/dokumenty/ukazy-prezidenta-rf/437 (accessed: 17.09.2025).
4. Mitrofanova, N. V. Information Support for the Daily Management of the Russian Emergency Situations Ministry / N. V. Mitrofanova, V. A. Vasilyeva, and K. A. Tikhonova // New Science: Experience, Traditions, and Innovations. – 2016. – No. 6-1. – Pp. 35–39. EDN: https://elibrary.ru/WCJJON
5. Yannikov, I. M. Optimization of Information Flows in the Daily Management Bodies of the Unified State System for Prevention and Elimination of Emergencies / I. M. Yannikov, N. V. Mitrofanova, M. V. Telegina, and T. G. Gabrichidze // Izvestiya of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. – 2018. – Vol. 20, No. 6-2. [Electronic resource]. – Access mode: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/optimizatsiya-informatsionnyh-potokov-v-organah-povsednevnogo-upravleniya-edinoy-gosudarstvennoy-sistemy-preduprezhdeniya-i (accessed: 17.09.2025).
6. Zverkov, V. A. Improving the organizational and technical equipment/re-equipment of the RSChS forces and means in the complex solution of the problems of targeted protection of critical and potentially dangerous economic facilities / V. A. Zverkov, R. L. Tyurin, M. I. Faleev [et al.] // Technologies of Civil Security. – 2021. – Vol. 18, No. 2 (68). [Electronic resource]. – Access mode: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-organizatsionnogo-i-tehnicheskogo-osnascheniya-doosnascheniya-sil-i-sredstv-rschs-pri-kompleksnom-reshenii (accessed: 17.09.2025). DOI: https://doi.org/10.54234/CST.19968493.2021.18.2.68.16.84
7. Matiashvili V. M. Chapter 1. Management in Complex Organizational Systems // System Approach in Enterprise Management. – 2018. – Pp. 11–25. EDN: https://elibrary.ru/YUABEL
8. Novikov D. A. Theory of Management of Organizational Systems / D. A. Novikov. – Moscow : MPSI, 2005. – 584 p. EDN: https://elibrary.ru/PFGVIJ
9. Shoigu S. K. Historical Aspects of the Development of the System for Protecting the Population and Territories from Emergencies // Civil Protection Strategy: Problems and Research. – 2013. – Vol. 3, No. 1. – Pp. 304–322. EDN: https://elibrary.ru/PXKSIZ
10. Surmilo A.V. Analysis of the specifics of the targeted use of management systems of the Ministry of Emergency Situations of Russia in the prevention and elimination of emergency situations // Actual problems of protecting the population and territories from fires and disasters. – 2006. – pp. 24-31. EDN: https://elibrary.ru/ODGWTC
11. Fundamentals of improving the unified state system for the prevention and elimination of emergency situations / V. Y. Glebov [et al.]. – 2011. EDN: https://elibrary.ru/OJWYJB
