сотрудник с 01.01.2025 по настоящее время
Химки, г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
г. Москва и Московская область, Россия
УДК 627.511 Общие вопросы. Причины паводков. Осадки. Свойства грунтов
УДК 351.862 Мероприятия по подготовке и организации деятельности сил гражданской обороны
Статья посвящена актуальной проблеме обеспечения устойчивости транспортной инфраструктуры к растущей частоте и интенсивности систематических паводков. На основе анализа событий в Российской Федерации за 2020 – 2025 гг. выявлено ключевое системное противоречие между необходимостью комплексной защиты протяжённых, структурно сложных объектов и ограниченностью материально-технических и финансовых ресурсов. В качестве решения предложен переход от концепции абсолютной защиты к обоснованию рациональной системы инженерной защиты. Целью работы является разработка концептуальной модели, формализующей процесс преобразования исходных данных о состоянии транспортной инфраструктуры и паводковых угрозах в проект оптимальной системы защиты при заданных ресурсных ограничениях. Модель, основанная на принципах системного анализа, представляет собой структуру взаимосвязанных абстрактных операторов, каждый из которых решает конкретную задачу: от диагностики состояния объектов и оценки гидрологических угроз до формирования и сравнения вариантов защиты и выбора окончательного решения с его верификацией. Особое внимание уделено применению методов нечёткой логики для работы в условиях существенной неопределённости исходных данных. Разработанная модель служит формализованным алгоритмом исследования, обеспечивающим структурированный подход к диагностике, проектированию и обоснованию рациональных параметров системы инженерной защиты, что является необходимым условием для повышения устойчивости критически важных объектов в условиях нарастающих климатических рисков.
транспортная инфраструктура, паводки, система инженерной защиты, рациональность, ресурсные ограничения, концептуальная модель, абстрактный оператор, устойчивость
Климатические изменения приводят к заметному росту количества опасных гидрометеорологических явлений на территории Российской Федерации. Согласно данным Росгидромета, в 2025 году их число выросло на 22% по сравнению с 2024 годом, при этом 38% нанесли значительный ущерб [1]. Дождевые паводки являются одними из наиболее разрушительных явлений. Эта тенденция подтверждается статистикой крупных паводковых событий, классифицируемых как чрезвычайные ситуации федерального характера. Только за период 2019-2025 гг. такие режимы вводились многократно, а материальный ущерб от отдельных катастроф достигал десятков миллиардов рублей [2].
Транспортная инфраструктура (далее – ТИ) является жизненно важным компонентом экономики и национальной безопасности. Её повреждение приводит к значительным экономическим потерям, социальной напряженности и осложнению проведения аварийно-спасательных работ. Сложившаяся паводковая обстановка демонстрирует, что традиционные способы реагирования, включающие ликвидацию последствий и точечное строительство защитных сооружений – неэффективны. Объем ресурсов, необходимых для глобальной инженерной защиты всех уязвимых объектов ТИ на всей территории страны, является непомерным [3].
Анализ практики защиты объектов экономики, проводимой в системе МЧС России, показывает наличие системного противоречия. С одной стороны, для гарантированного поддержания функционирования ТИ в паводковый период требуется реализация масштабного комплекса инженерно-технических мероприятий (далее – ИТМ). С другой стороны, финансовые, материальные и другие ресурсы на эти цели, регламентируемые бюджетными и организационными ограничениями, всегда лимитированы [4]. Опыт показывает, что обеспечить полную защиту всех элементов протяжённой и территориально распределённой ТИ от экстремальных паводков не представляется возможным из-за непомерных ресурсных затрат.
Таким образом, актуальной научно-практической задачей в области защиты объектов становится не поиск абсолютной защиты, а обоснование рациональной системы инженерной защиты (далее – СИЗ) ТИ. Под рациональной понимается такая СИЗ, которая при заданных ресурсных ограничениях обеспечивает максимально достижимый уровень сохранения или быстрого восстановления работоспособности ТИ при воздействии расчётных паводковых нагрузок. Решение этой многокритериальной задачи, осложнённой существенной неопределённостью исходных данных, требует структурированного методологического подхода, основанного на принципах системного анализа и моделирования [5].
Концептуальная модель является результатом смыслового (концептуального) анализа процесса исследования, представленного в формализованном виде. Её элементами являются абстрактные операторы (функциональные блоки, решающие частные задачи), источники информации (входные множества данных), информационные потоки (связи между операторами). Модель описывает полный цикл преобразования исходных данных о ТИ и угрозах в проект рациональной СИЗ и оценку этого проекта [6].
Формальным образом ТИ (Z) можно представить в виде совокупности линейных и узловых объектов, расположенных на территории, подверженной паводковой опасности. К ним относятся автодороги, железнодорожные пути, мостовые переходы, тоннели, путепроводы, развязки, а также инженерные системы водоотвода и укрепляющие сооружения. Эти объекты обладают множеством объективных характеристик (V), определяющих их устойчивость [7] (Рисунок).
Рисунок. Концептуальная модель обоснования рациональной системы инженерной защиты транспортной инфраструктуры от систематических паводков
Абстрактный оператор A0 формализует сбор и анализ количественных (прочностные характеристики, износ, высотные отметки) и качественных (результаты визуального обследования) данных об объектах ТИ, с учетом множества нормативной документации (D0), множества методов обследования (M0) и множества погрешностей (Σ0, Ψ0).
Таким образом, оператор оценки исходного состояния объектов ТИ может быть представлен в виде декартова произведения множеств:
| A0 : Y0,1 × Y0,2 × D0 × M0 × ∑0 × Ψ0 → Y0 | (1) |
где, Y0,1 – множество количественных характеристик, получаемых инструментально: геометрические параметры, фактические прочностные показатели (по результатам испытаний), высотные отметки, цифровые значения износа (например, остаточная толщина металла, глубина карбонизации бетона);
Y0,2 – множество качественных (экспертных) характеристик, оцениваемых визуально или по шкалам: общее визуальное состояние, наличие и характер трещин, деформаций, состояние гидроизоляции, коррозионные поражения;
D0 – множество требований и нормативных показателей из документов:
СП 48.13330.2019 «Организация строительства», ГОСТ Р 58312-2018 по обследованию сооружений, ведомственные регламенты обследования мостов и дорог и т.д.;
M0 – множество методов обследования: инструментальные (дефектоскопия, геодезия), дистанционные (лазерное сканирование, фотофиксация с БПЛА), визуальный осмотр по методикам Росавтодора;
Σ0 – множество внутренних погрешностей (точность приборов, квалификация эксперта и т.д.);
Ψ0 – множество внешних погрешностей (погрешности в исходных данных, нормативных и технических документах);
Y0 – множество текущих состояний объектов ТИ.
Определенное оператором A₀ множество текущих состояний позволяет спрогнозировать остаточный ресурс ТИ. Под остаточным ресурсом понимается период времени до перехода объекта в предельное состояние при штатной эксплуатационной нагрузке, после которого его безопасная эксплуатация становится невозможной без масштабных восстановительных работ, включающих усиление и замену несущих конструкций.
Функция абстрактного оператора A1 заключается в оценке долговечности элемента в условиях штатной эксплуатации (без учёта экстремальных паводков). Определяет «запас прочности» объекта до необходимости капитального ремонта.
| A1 : Y0 × D1 × M1 × ∑1 × Ψ1 →Y | (2) |
где, D1 – множество значений показателей по износу и предельным состояниям объектов ТИ, определенных нормативными требованиями (например, ВСН 32-88 для мостов);
M1 – множество методов расчёта долговечности, регрессионные модели старения материалов, характеризующих остаточный ресурс объектов ТИ.
Y1 – множество оценок остаточного ресурса для каждого элемента. Может выражаться в годах до достижения предельного износа, в процентах от исчерпанного ресурса, или в виде лингвистической переменной («высокий», «средний», «низкий» ресурс). Критически важен для решения: защищать старый элемент с малым ресурсом или планировать его замену.
В рамках концептуальной модели основным источником угрозы для объектов ТИ (мостов, дорог, тоннелей, путепроводов) в условиях паводковой опасности являются гидрологические и гидродинамические процессы. К ним относятся различные поражающие факторы, формируемые паводком: гидродинамическое воздействие потока, размыв оснований и берегов (подмыв), воздействие плавающих предметов (плывунов, топляков), подтопление и длительное затопление [8,9]. Для определения параметров этих факторов используется множество специальных литературных, картографических и гидрометеорологических источников данных. При идентификации и оценке источников угрозы в модели необходимо также учитывать погрешности, связанные с изменчивостью гидрологических прогнозов и неопределенностью сценариев развития паводковой ситуации.
Функция определения источников гидрологической угрозы, формирующая расчётную основу для оценки нагрузки – множества возможных паводковых событий (сценариев) для рассматриваемого участка ТИ реализуется абстрактным оператором A₂, который может быть представлен в следующем виде
| A2 : Y2,1 × Y2,2 × Y2,3 × Y2,4 × ∑2 × Ψ2 →Y2 | (3) |
где, Y2,1 – множество гидрологических данных: ряды наблюдений за уровнями и расходами воды, кривые расходов для створов, данные о ледовых и заторных явлениях;
Y2,2 – множество климатических сценариев: прогнозы изменения осадков, сценарии снеготаяния, данные об экстремальных осадках;
Y2,3 – множество топографо-геодезических данных: цифровая модель рельефа водосбора, продольные и поперечные профили реки, планы местности;
Y2,4 – множество топографо-геодезических данных: цифровая модель рельефа водосбора, продольные и поперечные профили реки, планы местности;
Y2 – множество источников гидрологической угрозы.
Процесс выявления опасных поражающих факторов для объектов ТИ заключается в переводе гидрологических характеристик множества источников угрозы в конкретные физические воздействия на конструкции ТИ, который представлен в виде абстрактного оператора A3 и может быть формализован в следующем виде
| A3 : Y2 × Y3,1 × M3 × ∑3 × Ψ3 →Y3 | (4) |
где, Y3,1 – множество типов уязвимых элементов (опора моста, тело насыпи, пролетное строение);
M3 – множество методов расчёта: формулы гидродинамического давления, модели размыва грунта у опор, методы оценки нагрузки от плавающих предметов;
Y3 – множество опасных поражающих факторов для каждого элемента ТИ и каждого сценария, определяющая набор факторов с количественными и качественными значениями.
Определение прогнозируемого состояния ТИ после воздействия паводка заключается в моделировании реакции ТИ на нагрузку, оценке возможных повреждений и остаточной функциональности для каждого сценария паводка и может быть представлена в виде абстрактного оператора A4, который может быть представлен в виде
| A4 : Y0 × Y1 × Y3 × C × M4 × T4 × ∑4 × Ψ4 ⟶Y4 | (5) |
где, C – множество конкретных паводковых сценариев, выходящих из Y2;
M4 – множество методов оценки последствий: детерминированные (конечно-элементный анализ) вероятностные (методы теории надёжности), нечёткие модели (системы нечёткого вывода);
T4 – множество уточнённых характеристик окружающей среды (свойства грунтов на конкретном участке);
Y4 – множество прогнозов повреждений, формирующее оценку последствий конкретно для каждого элемента ТИ. Это ключевой оператор для применения нечёткой логики, так как связывает неточные входные данные с трудно формализуемыми выходными оценками.
При определении элементов ТИ, подлежащих защите, необходимо провести ранжирование элементов по степени важности и уязвимости способом выделения подмножеств объектов, защита которых даст максимальный эффект для системы в целом и может быть представлен в виде абстрактного оператора А5
| A5 : Y0 × Y1 × Y3 × Y4 × D5 × K5 × M5 × ∑5 × Ψ5 ⟶Y5 | (6) |
где, D5 – множество значений показателей, содержащихся в нормативной технической документации, устанавливающие критерии и правила отнесения объектов ТИ к категориям значимости;
K5 – множество критериев критичности: транспортная значимость (интенсивность движения), социальная значимость (обеспечение эвакуации), альтернативность (наличие объезда), потенциальный экологический ущерб при разрушении;
M5 – множество методов многокритериального анализа и ранжирования элементов ТИ, подлежащих защите;
Y5 – множество критических элементов ТИ с указанием приоритета защиты и требуемого уровня снижения риска.
Абстрактный оператор A₆ формирует выбор средств и способов защиты на основании выявленных опасных поражающих факторов паводка для ТИ, оценки текущего состояния и остаточного ресурса. Функция оператора заключается в формировании «каталога решений» – отображения каждого критического элемента ТИ на множество технически применимых для его защиты мероприятий
| A6 : Y3 × Y4 × Y5 × Y6,1 × Y6,2 × D6 × K6 × M6 × ∑6 × Ψ6 ⟶Y6 | (7) |
где, Y6,1 – множество средств и способов защиты (устройство шпунтовых ограждений, габионных укреплений, повышение отметок, системы дренажа);
Y6,2 – множество характеристик средств и способов защиты (ориентировочная стоимость, трудоёмкость, долговечность);
K6 – множество критериев выбора средств и способов защиты;
M6 – множество методов выбора средств и способов защиты (например, исключение технологий, несовместимых с местными условиями);
D6 – множество значений показателей, содержащихся в нормативной технической документации, на проектирование защитных сооружений;
Y6 – множество средств и способов защиты элементов ТИ «элемент – возможные меры защиты».
На основе информационных потоков от операторов А0, А1, А3, А4, А5, А6, базы данных нормативных показателей и методов формирования системы инженерной защиты, выполняется инженерный расчет и синтез системы защиты ТИ. Формирование множества возможных технических решений (вариантов защиты) проводится с учетом заданных ограничений (ресурсных, временных) и допусков на погрешности исходных данных. Необходимо также учитывать множество характеристик окружающей среды ТИ.
Абстрактный оператор A7 формирует варианты системы защиты (комплексов ИТМ), компонуя отдельные меры из (Y6) в целостные, взаимоувязанные варианты СИЗ для всего объекта ТИ или её критической части, с обязательным учётом ресурсных ограничений (O) и может быть представлена в следующем виде
| A7 : Y0 × Y1 × Y3 × Y4 × Y5 × Y6 × D7 × T7 × O × M7 × ∑7 × Ψ7 ⟶Y7 | (8) |
где, D7 – множество нормативных документов и регламентов, специфичных для этапа формирования СИЗ (стандарты на проектирование сооружений, методики расчета сметной стоимости, требования к составу проектной документации);
T7 – множество технических требований и условий, актуальных для этапа формирования СИЗ (технические условия на применяемые материалы и конструкции, требования по надежности и безопасности для создаваемой СИЗ, ограничения по технологии производства работ);
О – множество ресурсных ограничений (общий бюджет, лимит основных материалов, допустимый срок реализации);
M7 – множество методов компоновки и предварительной оптимизации;
На выходе получаем множество альтернативных вариантов СИЗ ТИ (Y7)
Каждый вариант – это пакет документов, включающий: перечень мероприятий по объектам, смету затрат, календарный план, ожидаемое (расчётное) снижение риска по каждому критическому элементу.
Функция оценки защищенности ТИ (эффективности вариантов СИЗ) демонстрирует детальный расчет и сравнение эффективности каждого варианта СИЗ из (Y7). Моделирование работы ТИ после реализации защитных мер формально можно представить в виде абстрактного оператора А8
| A8 : Y0 × Y1 × Y3 × Y4 × Y5 × Y6 × Y7 × D8 × M8 × ∑8 × Ψ8 ⟶Y8 | (9) |
где, D8 – множество данных, содержащая информацию о затратах (стоимость проектирования и разработки СИЗ, ежегодные расходы на обслуживание, обновление, ремонт, возможные скрытые и косвенные затраты);
M8 – множество методов и моделей оценки эффективности и экономической целесообразности вариантов СИЗ (повторный запуск оператора A4 для ТИ с учётом внедрённых защитных мер, расчёт показателя «затраты-эффективность»);
Y8 – множество сравнительных оценок всех рассмотренных вариантов СИЗ из (Y7). Каждый элемент этого множества – это законченный аналитический отчёт по одному варианту защиты. Для каждого варианта определяется комплексный обобщенный критерий (например, отношение предотвращённого ущерба к затратам), а также частные показатели по каждому критерию из (K5) и (K6).
Далее необходимо принять управленческое решение по выбору рационального варианта СИЗ, практическая реализация которого основана на комплексном сравнении множества оценок (Y8). Процедуру принятия управленческого решения осуществляет абстрактный оператор А9, функция которого реализует принятие решение по выбору рационального варианта СИЗ ТИ, и может быть представлена в виде
| A9 : Y0 × Y1 × Y3 × Y4 × Y5 × Y6 × Y7 × Y8 × K9 × O × M9 × ∑9 × Ψ9 ⟶Y9 | (10) |
где, K9 – множество итоговых взвешенных критериев выбора (например, «максимум эффективности при соблюдении бюджета»);
M9 – множество методов принятия решений в условиях многокритериальности;
Y9 – Итоговое решение. Конкретный, обоснованный выбор одного варианта СИЗ ТИ из (Y7), сопровождаемый кратким обоснованием выбора.
Абстрактный оператор А10 позволяет оценить (верифицировать) принятое решение. Итоговый контрольный анализ выбранного решения на полноту, внутреннюю непротиворечивость, соответствие исходным требованиям и учёт всех выявленных рисков. Формирование рекомендаций по реализации и мониторингу. Функция оператора может быть представлена в следующем виде
| A10 : Y1 × Y3 × Y4 × Y5 × Y6 × Y9 × D10 × K10 × C × O × M10 × ∑10 × Ψ10 ⟶Y10 | (11) |
где, D10 - Множество нормативно-законодательных документов для итоговой приемки и экспертизы (правила и нормы итоговой приемки в эксплуатацию, требования государственной и независимой экспертизы проектной документации, экологические и санитарные нормативы для ввода объекта ТИ в эксплуатацию);
K10 – множество критериев метрики, по которым оценивается «качество» выбранного варианта из (Y7) (Экономические, технические, рисковые);
C – множество контрольных показателей и условий соответствия (формируется на основе (D₁₀), (C) и исходных требований);
O – множество ресурсных ограничений (общий бюджет, лимиты материалов, сроки). На этапе А10 ограничения (О) выступают как фиксированные, неизменные условия. Оператор проверяет, что выбранный вариант им строго соответствует. Любое нарушение делает решение недопустимым.
M10 – множество методов итоговой проверки и анализа принятого решения;
Y10 – принятое решение по выбору рационального варианта СИЗ ТИ.
Разработанная концептуальная модель представляет собой формализованный алгоритм исследования и создает системную основу для решения сложной задачи защиты ТИ от паводков, позволяет провести декомпозицию научного исследования на частные задачи и определить условия и факторы, которые необходимо учитывать для обоснования рациональных параметров системы защиты ТИ в условиях систематических паводков [10].
Концептуальная модель определяет замысел исследования и обеспечивает структурированный подход к диагностике, проектированию и выбору оптимальных защитных мер, что является необходимым условием для повышения устойчивости критически важных объектов экономики, в том числе объектов транспортной инфраструктуры, в условиях нарастающих климатических рисков.
1. Росгидромет. Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2025 год. Москва, 2025. 104 с.
2. Методические рекомендации по оценке ущерба от чрезвычайных ситуаций. М.: ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2017.
3. Кожевников Б.К., Рыжов А.А. Анализ воздействия систематических паводков на состояние критической инфраструктуры Краснодарского края // Управление мероприятиями гражданской обороны, защиты населения и территорий в чрезвычайных ситуациях: бюл. 2025. № 17. С. 41–48.
4. Арефьева Е.В., Письменский Н.В. К вопросу оценки структурной устойчивости потенциально опасных объектов (на примере водопроводной станции) // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 3. С. 28–32. EDN: https://elibrary.ru/LBDJAF
5. Ткаченко Ю.А., Ткаченко П.Н., Полевой Е.В. Инженерная защита объектов транспортной инфраструктуры от наводнений // Исследование и развитие рельсового и автомобильного транспорта: сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф., Екатеринбург, 22–23 мая 2024 г. Екатеринбург: Урал. гос. ун-т путей сообщения, 2024. С. 347–349. EDN TKQVXO.
6. Рыжов А.А., Добров А.В., Письменский Н.В., Иванченко Д.И. Концептуальная модель обоснования рациональной системы защиты критически важных объектов в условиях современных военных конфликтов // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2023. № 1 (56). С. 37–46. EDN: https://elibrary.ru/WWPLAR
7. Воронин А.А., Хазратзода Д.Т., Прус Ю.В. Способ оценки устойчивости объекта транспортной инфраструктуры к чрезвычайным ситуациям природного и техногенного характера // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2025. № 1 (36). С. 39–45. DOI: https://doi.org/10.34987/vestnik.sibpsa.2025.84.43.004; EDN: https://elibrary.ru/SEOLDF
8. О подходе к минимизации материального риска при чрезвычайных ситуациях (паводках), вызванных заторными явлениями / Е.В. Иванов, П.Н. Ткаченко, Ю.А. Ткаченко, В.А.О. Нестеров // Сибирский пожарно-спасательный вестник. 2022. № 4 (27). С. 92–97. DOIhttps://doi.org/10.34987/vestnik.sibpsa.2022.44.95.015. EDN LFMECR.
9. Ткаченко П.Н., Шуваев А.В., Ткаченко Ю.А. Анализ факторов, влияющих на распределение ресурсов для проведения работ по предупреждению наводнений, вызванных ледовыми заторами // Управление мероприятиями гражданской обороны, защиты населения и территорий в чрезвычайных ситуациях: бюл. 2025. № 17. С. 5–12.
10. Добров А.В. Математические модели по курсу «Математическое моделирование» (часть первая): учеб. пособие. Химки: АГЗ МЧС России, 2000. 76 с.
