УДК 556.06:627.152.153(282.247.21+261.243-11)
Прогноз наводнений в Санкт-Петербурге и восточной части Финского залива в условиях работы комплекса защитных сооружений
К. А. Клеванный*, А. М. Колесов**, М.-С. В. Мостаманди**
В августе 2011 г. вступил в строй Комплекс сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС). Для его работы необходимы прогноз наводнений и прогноз оптимального времени закрытия и открытия водо-и судопропускных отверстий. Одним из используемых в оперативной практике Северо-Западного УГМС методов прогноза является гидродинамическое моделирование. Рассматриваются разные аспекты применения программного комплекса CARDINAL при наводнениях, произошедших после вступления в строй КЗС (с учетом закрытия КЗС на период наводнений).
Ключевые слова: прогноз наводнений, комплекс защитных сооружений, Санкт-Петербург, программный комплекс CARDINAL.
Строительство Комплекса сооружений защиты Санкт-Петербурга от наводнений (КЗС) (выход на акваторию залива) началось 2 октября 1980 г., официальное открытие состоялось 12 августа 2011 г. Комплекс перегораживает Невскую губу на расстоянии примерно 25 км от Санкт-Петербурга. В его состав входят два судопропускных и шесть водопропускных сооружений, 11 каменно-земляных дамб, семь мостов и автодорожный тоннель под морским каналом. Общая протяженность сооружений составляет 25,4 км, в том числе по открытой акватории — 22,2 км. Проемы водо- и судопропускных сооружений при угрозе повышения уровня воды в Санкт-Петербурге выше критической отметки 160 см БС перекрываются затворами с помощью спе ци аль ных гид роп ри водов.
Сооружение С-2 на пороге имеет глубину при ординаре 7 м и ширину проточной части 110 м. Оно предназначено для пропуска судов типа река — море. Во время наводнения проточная часть перекрывается плоским затвором, находящимся в обычное время в специальной камере под водой. Сооружение С-1 имеет глубину на пороге 16 м и ширину 200 м и предназначено для пропуска судов всех типов. При угрозе наводнения проточная часть перекрывается двумя плавучими дугообразными в плане сегментными затворами, выдвигающимися специальными механизмами горизонтально навстречу друг другу. Эти затворы (практически плавучие ботапорты) име ют осад ку при вы дви же нии 7,5 м, их общая высота 26 м. После син-
* ООО "Кардинал-софт"; e-mail: kklevannyy@mail.ru.
** Северо-Западное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды.
хронного выдвижения обеих створок ворот и их стыковки через кингстоны происходит заполнение внутреннего пространства затворов водой и посадка их на бетонный порог. По окончании наводнения вода вытесняется сжатым воздухом, затворы всплывают и заводятся на свое обычное место в доковые камеры.
Первое пробное закрытие сооружений КЗС (без судопропускного отверстия С-1) происходило с 3 по 6 октября 2009 г. В 0 ч 6 октября (время везде — московское летнее, ВСВ + 4 ч) уровень в Неве у водомерного поста Горный институт поднимался до 159 см БС. Возможно, в тот день в Санкт-Петербурге в первый раз было предотвращено наводнение. В дальнейшем 16 ноября 2010 г. произошло наводнение с высотой 180 см. 28 ноября 2011 г. КЗС в штатном режиме впервые предотвратил наводнение. Но 26—28 декабря 2011 г. при двойном наводнении, несмотря на работу КЗС, уровень в Неве поднимался до 170 см — выше критической отметки. В 2012 г. наводнений не отмечалось. 30 ноября 2012 г. был очень сильный сгон, уровень опускался до отметки -122 см (абсолютный минимум -124 см был 2 ноября 1910 г.). 29 октября, 17 ноября и 13 декабря 2013 г. работой КЗС было предотвращено три наводнения. В статье рассматриваются результаты моделирования уровня воды в восточной части Финского залива при трех штормовых нагонах 2013 г. с учетом работы КЗС и ре зультаты прогностических расчетов оптимального времени закрытия сооружений КЗС.
С декабря 1999 г. для прогноза наводнений в Северо-Западном УГМС с заблаговременностью 48 ч в качестве вспомогательного метода используются программный комплекс CARDINAL [3, 5] и созданная c его помощью математическая модель Балтийского моря [2]. С увеличением быст-роде йствия вы чис ли тель ной тех ни ки в опе ратив ную практи ку внед ря лись все более детальные версии модели Балтийского моря. В настоящее время работает модель BSM-2010 со средним шагом сетки 3680 м и минимальт ным 100 м (в CARDINAL используется криволинейная гранично-зависимая расчетная сетка, построенная методом Томпсона [8]). В модели учтены все водо- и судопропускные сооружения КЗС. Модель работает полностью в автоматическом режиме. При прогнозе наводнения с ее помощью рассчитывают время закрытия и открытия КЗС и автоматически запускают снова, закрывая и открывая КЗС в расчетное время. Если при этом наводнение не предотвращено, происходят следующие запуски модели со все более ранним временем закрытия. В алгоритме расчета предусмотрена возможность нескольких наводнений в прогнозируемый период. Для каждого из них выполняется расчет времени закрытия и открытия КЗС.
В модели Балтийского моря краевая задача для уравнений мелкой воды решается неявными конечно-разностными методами повышенной точности [1, 6]:
— — U Н
Ut + (U -V) и = - gHVQ- — Vpa + H P 0
+ fX U + kau + PaCDW\ W\ - fbU|U 1, (1)
p 0 H 2
^ + divU = 0, (2)
где U — вектор удельного расхода воды (полный поток); H — толщина слоя воды; g — ускорение свободного падения; Q — уровень свободной поверхности; pa — атмосферное давление; f — параметр Кориолиса; K — коэффициент горизонтального турбулентного обмена; pa — плотность воздуха; p0 — плотность воды; CD — коэффициент ветрового трения; W — скорость ветра на высоте 10 м; fb — коэффициент придонного трения. Тестовые расчеты показывают, что на точность прогноза большое значение оказывает коэффициент ветрового трения. В BSM-2010 он задается по формуле Банке и Смита [7]:
Cd = (0,63 + 0,066|W\) - 10-3. (3)
На участках твердой границы задается условие скольжения для скорости, а на участках открытой границы (Датские проливы и реки) — расходы воды.
Для прогноза ветра и атмосферного давления используется метеорологическая модель HIRLAM, работающая в оперативном режиме в Шведском гидрометеорологическом институте (SMHI). Временной шаг данных - 1 ч, пространственный — около 22 км. В BSM-2010 возможно также использование атмосферных моделей WRF и COSMO.
За пе ри од ра боты автомати зи ро ван ной сис те мы про гно за и до ввода в эксплуатацию КЗС в Санкт-Петербурге произошло 18 наводнений. Все они были спрогнозированы. По мере совершенствования системы ошибки прогноза уменьшались. Ошибки прогноза последних пяти наводнений были в пределах 30 см по высоте и 1,5 ч по времени, а наводнения 16 января 2007 г., 3 февраля и 16 ноября 2008 г. были спрогнозированы практически точно (ошибка 7, -5 и 2 см соответственно). С апреля 2008 г. прием данных HIRLAM и прогноз уровня воды выполняется каждые 6 ч. Однако в отдельных случаях этого недостаточно, и уже через несколько часов после нового срока становится понятно, что развитие синоптических процессов пошло иначе. В связи с этим специалисты, оценивая синоптическую ситуацию и предвидя ее развитие, ориентируясь на имеющиеся численные расчеты уровня, составляют окончательные прогнозы подъема воды и предупреждения о достижении повышающимся уровнем критических от ме ток.
При закрытии КЗС происходит постепенное заполнение Невской губы водой из Ладожского озера. Скорость подъема уровня в Невской губе при среднем стоке 2500 м1с составляет 2,27 см/ч, а при экстремальном стоке 4750 м3/с — увеличивается до 4,3 см/ч. Сток Невы приводит к равномерному подъему уровня в Невской губе. При ветре западных направлений скорость подъема уровня в дельте Невы превышает эти значения. 17 ноября 2013 г. при штормовом западном ветре со скоростью до 25 м/с при расходе Невы 2600 м1с уровень у поста Горный институт поднимался с 50 до 130 см со средней скоростью 4,2 см/ч. Расчеты показали, что для создания в закрытой Невской губе под воздействием ветра уклона уровня требуется по рядка 4 ч. При постоянном ветре при закрытом КЗС поверхность воды в Невской губе принимает вид наклонной плоскости.
Закрытие КЗС на срок более суток может привести к так называемым остаточным наводнениям (что уже было 28 декабря 2011 г.). Кроме того, закрытие КЗС прерывает движение судов, в том числе паромов с пассажи-ровместимостью до 2500 человек. Длительное закрытие может быть связано с длительным стоянием высокого уровня в Финском заливе, а также с ошибками в управлении КЗС. При длительном закрытии и значительном повышении уровня в Невской губе скорость притока ладожских вод уменьшится из-за уменьшения градиента уровня. Уровень воды в Ладожском озере находится обычно в пределах от 3,5 м (расход 1300 м3/с) до 6,5 м (расход 4480 м3/с). При закрытом КЗС заполнение Невской губы водой из Ладожского озера может продолжаться до тех пор, пока уровень в Невской губе не станет равным уровню в Ладожском озере. Сделаем оценку воз -можной продолжительности этого заполнения без учета выхода воды в Неве и Невской губе из берегов. Скорость изменения среднего уровня в Невской губе £ равна д£(t)/дt = Q(t)/S, где Q = и^)В — расход Невы; В — средняя ширина Невы; S — площадь Невской губы. Скорость течения в Неве определяется балансом силы придонного трения и силы давления, обусловленной градиентом уровня воды ^ЯдСк/дх = -МиЩ/И2) или gИ(£L - £)/Ь = /Ь(и2/И2), где £к(х, 0 — уровень воды в Неве; £ь — постоянный уровень воды в Ладожском озере; Ь — длина Невы. Отсюда имеем
Q(t) = ВИ3'2] ^
- ао или ^ = к^ь - £(о,
где к = . Решение этого уравнения при начальном значении
£(0) = 0 дает £(0 = к^ - (к)2/4. Отсюда следует выражение для времени заполнения Невской губы Г до уровня £ = £ь
Т = -
к
В работе [4] указывается, что при уровне в Ладожском озере 4,5 м БС и
нулевом уровне в Невской губе расход Невы равен 2520 м /с. Отсюда по лучаем
Q = ВИ3/2 = Щ = 1187 м5/2 • с'1
УЛь 745
и при площади Невской губы 397,4 км2 имеем
к = ВИ!! ^ = 1187 = 2,99 • 10-6 м1/2 • с-1.
S \/ьЬ 397,4 • 106
В зависимости от уровня в Ладожском озере заполнение
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.