Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Согласно данным Водного кадастра России за 2014 г., происходит многолетние катастрофическое снижение общих водных ресурсов на юге России, более 80 % гидротехнических сооружений, отработали значительно свой нормативный срок эксплуатации. В то же время отмечается одновременное возрастание нагрузки на стареющие гидротехнические сооружения что при отсутствии необходимых квалифицированных кадров и технической ремонтной базы неизбежно приведёт к росту числа аварий, обусловленных эксплуатационными причинами.

В связи с этим возникла потребность в поиске новых современных методов определения количественных оценок надёжности остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений для получения возможности выполнения их заблаговременного ремонта и предотвращения дальнейшего разрушения [3].

По данным «Мелиоративного кадастра», в России эксплуатируются более 150 тыс. км водопроводящих сооружений, построенных в 1950–1970-е гг. . Только на юге более 10 тыс. шт. объектов и более 20 тыс. км находящихся в федеральной собственности, которые находятся на балансе Минсельхоза России, и они, как правило, расположены на магистральных каналах, а сооружения, расположенные на межхозяйственной сети, находятся на балансе сельхозпроизводителя, а в ряде субъектов России - без хозяина. Техническое состояние гидротехнических сооружений, эксплуатируемых в России, на данный момент оценивается, по данным ВНИИГа им Б.Е. Веденеева и др. [2, 6], как неудовлетворительное и продолжающееся ухудшаться. Более половины сооружений требуют восстановления, так как проектный срок их эксплуатации составляет более 30 лет и дальнейшее увеличение их возраста приводит к снижению их надёжности и безопасности.

Остаточный ресурс водопроводящих сооружений позволяет установить безопасный срок их эксплуатации без ограничений или с ограничениями, либо принять решение о ремонте или ликвидации сооружения и части его элементов. Существующие методики обследования водопроводящих сооружений направлены на оценку в целом пригодности несущих конструкций сооружений к дальнейшей эксплуатации. При проведении обследований появился ряд вопросов по характеру выявления повреждений и дефектов, а также по прогнозированию технического состояния на определённый период времени.

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

На наиболее освоенные районы европейской части России, где сосредоточено до 80 % населения и производственного потенциала, приходится не более 10–15 % водных ресурсов. По величине местных и приходящих водных ресурсов федеральные округа (ФО) России различаются во много раз, так например Северо-Кавказский и Южный ФО являются наименее обеспеченными [7]. Республики Калмыкия – 1,1 км3/год, Ингушетия – 1,7 км3/год, г. Севастополь – 1,1 км3/год находятся в зоне опасных показателей, а вот республики Крым – 26,1 км3/год, Адыгея – 14,1 км3/год, Карачаево-Черкесская – 6,1 км3/год, Северная Осетия – Алания – 8,1 км3/год, Ставропольский край – 6,0 км3/год и др. также испытывают большой дефицит воды.

Согласно данным Водного кадастра России за 2014 г. (Ресурсы поверхностных и подземных вод, их использование и качество) [13], происходит многолетнее катастрофическое снижение общих водных ресурсов на юге РФ (табл. 1).

Основой водных ресурсов России является речной сток, формирующийся в пределах страны (только около 5 % поступает с территорий сопредельных государств). Бессточный внутренний бассейн Каспия занимает большую европейскую часть России. При этом в Каспийско-Азовском регионе, на который приходится лишь примерно 8 % территории [11], проживает порядка 80 % населения России и сосредоточена основная часть хозяйственной инфраструктуры.

Таблица 1

Характеристики водных ресурсов на юге России за 2014 г.

По Южному ФО отклонение водных ресурсов от среднего многолетнего значения составило 6,5 % против 11,6 % в 2013 г. Резкое падение стока р. Волги изменило характер водности приволжских областей (Астраханской и Волгоградской) и понизило их водность до значений ниже нормы, соответственно на 5,8 и 8,4 %. Резкий рост стока левых притоков р. Кубани, приблизивший сток самой р. Кубани к норме, и столь же резкое снижение стока рек Черноморского побережья привели к тому, что водность Краснодарского края претерпела весьма малое изменение, превысив среднее многолетнее значение на 8,7 % против 9,6 % в 2013 г. [9]. Водность Республики Адыгеи, напротив, значительно возросла по сравнению с 2013 г. и превысила норму на 10,6 % благодаря резкому росту стока рр. Лабы и Белой. Водность в Ростовской области дополнительно снизилась в 2014 г. по сравнению с весьма низким уровнем 2013 г., и её отклонение от нормы составило 42,9 %. Ситуация в Ростовской области была обусловлена продолжением фазы низкой водности р. Дона. В Республике Калмыкии, как и прежде, водность значительно превышала норму, что связано с сохранением повышенной водности рр. Калаусы и Кумы, вызванной не только естественными факторами, но и ростом объёмов переброски стока [13]. Водные ресурсы Крыма были значительно меньше среднего многолетнего значения, в отличие от 2013 г., когда они превышали его на 50 %. Местный сток рек округа при этом не изменился и остался на довольно низком уровне (38,1 % от нормы). Уменьшение водных ресурсов произошло по причине беспрецедентного сокращения поступления воды на полуостров по Северо-Крымскому каналу [8].

Северо-Кавказский ФО имеет тенденцию к некоторому снижению водности рек от значения, превышавшего норму на 12,1 % в 2013 г., до значения, близкого к норме (4,3 %). В субъектах округа характер изменения водности значительно различался. Снижение водности до значений, существенно меньших нормы, было отмечено в двух республиках – Дагестане и Ингушетии. В Чеченской Республике водность снизилась до нормы, а в республиках Кабардино-Балкарии и Северной Осетии - Алании осталась близкой к норме. Рост водности до значений, существенно превышающих норму, имел место в Карачаево-Черкесской Республике и в Ставропольском крае [1].

Происходит повсеместное сокращение площади мелиоративных земель, что обусловлено проблемой как нехватки водных ресурсов, так и стареющих сооружений. Современная надёжная эксплуатация водопроводящих сооружений обеспечивается высоким уровнем проектных разработок, строительства и грамотной эксплуатации высококвалифицированным персоналом. В связи с этим возникла потребность в поиске новых современных методов определения количественных оценок надёжности остаточного ресурса длительно эксплуатируемых водопроводящих сооружений для получения возможности выполнения их заблаговременного ремонта и предотвращения дальнейшего разрушения [15]. На юге более 10 тыс. шт. объектов и более 20 тыс. км находящихся в федеральной собственности (табл. 2), которые находятся на балансе Минсельхоза России и они, как правило, расположены на магистральных каналах, а сооружения, расположенные на межхозяйственной сети, находятся на балансе сельхозпроизводителя, а в ряде субъектов РФ – без хозяина. Более половины водопроводящих сооружений требуют восстановления, так как проектный срок их эксплуатации составляет более 30 лет и дальнейшее увеличение их возраста приводит к снижению их надёжности и безопасности [4].

Основным свойством, определяющим ресурс системы, является надёжность её элементов, т.е. надёжность и безотказность работы в течение определённого срока эксплуатации. Надёжность и безотказность работы системы в целом определяется из условия, что каждый элемент системы может находиться в одном из двух состояний – работоспособном или отказа [10].

Интегральная оценка риска аварии водопроводящих сооружений:

– Rа < 0,15 – нормальный уровень;

– 0,15 < Rа < 0,30 – пониженный уровень;

– 0,30 < Rа < 0,50 – неудовлетворительный уровень;

– Rа > 0,50 – опасный уровень.

Работоспособность подсистемы Rп.c,:

Rп.c = 1 – Φп.c. (1)

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

– текущего и капитального ремонтов;

– технической эксплуатации;

– уровня воздействия динамических нагрузок на фундаменты;

– влияния техногенных процессов;

– изменения геотехнического состояния оснований фундаментов;

– старения материала конструкций водопроводящего сооружения под действием атмосферных воздействий.

Физический износ сооружений подсистемы:

Оценки вероятности работоспособного состояния системы:

(2)

Определим остаточный ресурс:

(3)

Существующие методики обследования гидротехнических конструкций [5, 12, 14, 15] направлены на оценку в целом пригодности несущих конструкций сооружений к дальнейшей эксплуатации.

Таблица 2

Наличие объектов водопроводящих сооружений на юге России

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

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

Выводы

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

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

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