В мире насчитывается более 62 тыс. плотин и дамб. Большинство из них построены с 1930-го по 1970 год. Десятки тысяч существующих конструкций достигли или превысили возраст в 50 лет. Эти устаревшие сооружения не только требуют значительных затрат на обслуживание, но и становятся потенциальной угрозой для человека и окружающей среды, говорится в докладе ООН.
Однако возраст сооружения не всегда является гарантией надежности. 5 апреля 2024 года в Советском районе Орска прорвало насыпную дамбу, которая была построена в 2010 году. Как отметил мэр города Василий Козупица, главная причина — сильный паводок. Конструкция была рассчитана на подъем уровня воды до семи метров, но в городе он превысил отметку в 9 м 75 см. Впрочем, паводок может быть не единственной причиной инцидента. Ранее Ростехнадзор выявил нарушения при содержании дамбы.
Основное различие между дамбой и плотиной заключается в их функциональных задачах. Дамба используется для создания водохранилища и защиты от наводнений. Плотина предназначена для контроля над потоком воды и управления водоснабжением. Оба этих сооружения могут иметь разные конструкции, в зависимости от климатических условий, места расположения и других факторов.
«РБК Тренды» рассказывают, какие технологии используют в мире, чтобы помочь в мониторинге гидротехнических сооружений и обнаружении проблемных участков, а также в оперативном реагировании на возникающие риски прорыва.
Искусственный интеллект в Южной Корее
В августе 2020 года плотина на реке Семджин в Южной Корее не выдержала количества выпавших осадков после долгой засухи. Произошел прорыв. Находящиеся рядом населенные пункты оказались в зоне подтопления. Финансовый ущерб от аварии составил более $76 млн.
Чтобы избежать таких ситуаций в будущем, исследовательская группа Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH), возглавляемая профессором Ченхуном Камом, решила использовать искусственный интеллект. Команда сосредоточилась на создании модели ИИ, которая сможет прогнозировать уровень повышения воды и предлагать решения в случае возникновения проблем.
Исследователи обучили модель Gated Recurrent Unit с помощью гидрологического мониторинга реки Семджин с 2002 по 2021 годы. Затем команда разработала несколько сценариев возможных последствий. Осадки, притоки и оттоки выступали в роли входных данных, а почасовые уровни воды в плотине — выходных. Благодаря ИИ исследователи заметили, что на уровень воды в плотине больше влияет не количество осадков в ее районе, а изменения в притоках и оттоках реки Семджин. «Главная цель нашего исследования — повысить не только понимание работы плотин, но их эффективность в будущем», — объяснил Ченхун Кам.
Космические технологии в Перу
Технологии из космической отрасли давно используют не только для изучения пространства за пределами Земли. В Великобритании в 2017 году для повышения безопасности плотин начали разрабатывать систему DAMSAT. Вот что она делает:
- Сравнивает текущие и прошлые спутниковые изображения, чтобы обнаружить изменения плотины.
- Используя прогноз погоды, система прогнозирует влияние осадков на уровень воды в резервуаре.
- Представляет варианты последствий сбоя работы гидравлического сооружения.
Вся информация системы хранится на облачной платформе. DAMSAT отправляет оповещения, когда обнаруживает изменения в конструкции или необычные погодные условия, которые могут привести к чрезвычайной ситуации. Как отмечают создатели, DAMSAT не универсальное решение. Система состоит из восмьми модулей, которые могут быть выбраны в соответствии с потребностями пользователей. Например, один из них генерирует оповещения, второй анализирует показатели загрязнения воды, а третий предоставляет гидрометеорологический прогноз. Разработка системы финансировало Космическое агентство Великобритании в рамках программы международного партнерства (IPP). Программа направлена на использование космических решений для помощи странам с развивающейся экономикой. Поэтому DAMSAT был протестирован на 31 плотине в перуанских Андах. Испытания прошли успешно. DAMSAT обнаружил сбои в работе плотин в регионе Кахамарка на севере и в центральной части Перу.
Цифровые двойники в США
Утечки, разрушение оснований, недостаточная пропускная способность в местах затворов — некоторые из проблем, с которыми сталкиваются устаревшие дамбы и плотины. Справиться с ними помогут цифровые двойники. Цифровой двойник — виртуальная модель любых объектов, систем, процессов или людей. Она не только воспроизводит форму и действия оригинала, но и синхронизирована с ним.
Примеры цифровых моделей плотин уже существуют. Плотина New Bullards Bar в Мэрисвилле (штат Калифорния) построена в 1969 году для снижения риска наводнений, выработки энергии и водоснабжения местного населения. Сооружение находится под управлением агентства Yuba Water.
Данные о состоянии плотины раньше собирались сотрудники Yuba Waterа. Исследование проводилось несколько раз в год и занимало не больше недели, но обходилось в $5 тыс. Исправить эту ситуацию взялась компания Bentley Systems, начав разработку цифрового двойника плотины. Создание двойника включало в себя проведение съемок с помощью дронов и установку автоматизированного оборудования для создания 3D-модели объекта. Для реализации проекта требовалось установить аппуратуру для съемки поперек плотины и построить безопасную капсулу для защиты оборудования. У проектной группы возникли трудности с получением разрешения на бурение и установку устройств непосредственно на плотине, а также необходимые инженерные и строительные работы. Эти проблемы усугублялись рельефом вокруг плотины, куда можно было добраться только по узкой дороге.
В результате появление цифрового двойника сократило затраты и время, связанные с получением данных. Система собирает информацию с более чем 80 датчиков два раза в день. Авторизованные пользователи могут следить за изменениями в режиме реального времени. Также цифровой двойник визуализирует, анализирует и обеспечивает автоматизированную поддержку принятия решений, представляет подробные отчеты о структурной целостности и надежности плотины.
«Без цифровых близнецов через 10–20 лет жители городов будут платить больше, чем должны, за мониторинг мостов и плотин, полагаясь на людей и устаревшие методы проверки. Мы уже испытываем нехватку квалифицированных рабочих, поэтому представьте себе хаос через десять лет, если мы не будем внедрять такие технологии, как цифровые близнецы и IoT», — пояснили в Bentley Systems.