Полный цикл исследований — от натурных измерений до численного моделирования

В чём суть?

Информационная система для мониторинга побережья, разработанная специалистами СКБ САМИ, функционирует в режиме реального времени. При этом она позволяет своевременно и с максимальной точностью оповещать об опасных морских явлениях. По сути, речь идёт о полном цикле исследований, начиная от натурных измерений и заканчивая численным моделированием с построением сценариев развития событий и оценки рисков.

И вот что показательно: эта система может работать с учётом той или иной региональной специфики, что в принципе весьма актуально. Ведь разработка СКБ САМИ уже признана во многих странах мира. Что же касается Дальнего Востока, то для этого региона может быть интересна часть, связанная с прибрежными инженерными сооружениями. Авторами разработки являются сотрудники СКБ САМИ совместно с учёными Нижегородского государственного технического университета.

Всё апробировано

Оговоримся сразу, система для мониторинга побережья — это не просто проект СКБ САМИ, а уже апробированная, в реальных условиях, разработка. В настоящее время её численная часть используется в технических средствах оповещения о цунами Малайзии, Сингапура, Турции, Индии, а также в Европе, в Объединённом европейском исследовательском центре. И интерес к софту СКБ САМИ вполне объясним.

Ведь все государства, имеющие выходы в море, постоянно подвергаются рискам, связанным с природными катаклизмами. В первую очередь с штормовыми нагонами и цунами. Однако даже давно оправдавшие себя средства защиты не исключают возможности разрушительных последствий. Например, японское побережье, с учётом его сейсмоопасности, давно подготовлено к такого рода неожиданностям. Там можно встретить большое количество стенок и других берегозащитных сооружений.

В частности, на входе в бухту у города Камаиси в своё время была построена дамба, перекрывающая сам вход в гавань. Казалось бы, ничего надёжнее придумать просто нельзя. Но даже это не спасло ситуацию, и при очередном цунами городок был сильно разрушен. И это лишь один из многочисленных мировых примеров. Поэтому очевидно, что максимально минимизировать риски можно лишь при условии комплексного подхода к решению таких вопросов. В том числе и на этапе проектирования берегоукреплений с использованием методик СКБ САМИ.

Кстати, уже после ЧП в Камаиcи сотрудники специализированного конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований, совместно с японскими коллегами, провели серию численных экспериментов и выяснили — берегоукрепление не было рассчитано на такие высокие волны. Соответственно, если бы этот аспект учли на этапе проектирования и увеличили высоту стенки, тяжёлых последствий удалось бы избежать.

Все эти данные сотрудников СКБ САМИ, полученные в результате комплексных исследований, наверняка сыграют свою роль и в будущем. При строительстве берегоукрепительных сооружений в разных странах мира.

Современный подход

Мобильный робототехнический комплекс для мониторинга прибрежной зоны

1 — лидары LMS511Pro,  

2 — антенны GNSS,

3 — метеостанция Vaysala WХ520,

4 — wi-fi антенна,

5 — видеокамера AXIS Q6045-E,

6 — радар кругового обзора MRS-1000

Общеизвестно, что для надёжной и корректной работы любой информационной системы необходимо обеспечить её надёжными данными в режиме реального времени. Для сбора оперативной информации в СКБ САМИ используются приборы собственной разработки (волнограф, пагис и т.д.), а также мобильный робототехнический комплекс, разработанный в партнёрстве с Нижегородским государственным техническим университетом. В 2016 году на Сахалине он уже прошёл испытания и апробацию. И именно на этом роботизированном модуле установлена измерительная аппаратура.

В точку измерения комплекс выходит, используя специальные алгоритмы. Местоположение же определяется системами Глонасс и GPS. Причём измерительная информация может как накапливаться на носителе, так и передаваться в режиме реального времени.

И ещё немаловажный момент. Для эффективной работы такого комплекса большое значение имеет его адаптация к условиям тех районов, где и проводятся исследования. С учётом этого на робототехническом комплексе могут устанавливаться три типа движителей — колёсный, гусеничный или роторный.

Всё в комплексе

Разработка СКБ САМИ позволяет решать профильные задачи любого уровня сложности. Это стало возможным благодаря предельной сбалансированности всего комплекса морских исследований и опытно-конструкторских работ. А подразделения СКБ САМИ (научные и конструкторские отделы, а также опытно-экспериментальное производство и гидрофизические стационары) работают в едином режиме. Что и позволяет добиваться впечатляющих результатов, которые, повторимся, уже признаны во всём мире. И на сегодняшний день САБ САМИ является одним из наиболее известных научно-внедренческих центров.

Техника и технологии

Полный комплекс морских исследований невозможен без опытно-конструкторских работ. И в СКБ САМИ давно налажена собственная система изготовления и испытания новых образцов специальной морской техники и автоматизированных систем сбора телеметрической информации о состоянии моря и атмосферы. Которые также полностью оправдали себя на всех уровнях, от экспериментального до внедренческого.

Особое значение в этой связи имеет программный комплекс моделирования длинноволновых процессов и оценки их воздействия. Эта разработка была удостоена золотой медали Международного салона «Архимед-2016». И это далеко не полный перечень профильного оборудования, сконструированного в СКБ САМИ.

Программный комплекс моделирования длинноволновых процессов и оценки их воздействия

Численное моделирование

Специалисты СКБ САМИ также работают с кодами по расчёту волновых характеристик, моделируют изменение береговых линий и движение донных отложений. Для этого они используют калибровые численные модели, позволяющие правильно подойти к вопросам проектирования и посмотреть, как изменяется ситуация в период эксплуатации того или иного объекта морской инфраструктуры. Приведём в этой связи три направления.

Модели волновых характеристик:

•    STAWE, CMS-Wave, CGWAVE, MIKE21-SW, BOU2D, NAMI-DANCE.

Модели изменения береговой линии:

•    SBEACH, MIKE21-ST, LIPACK, GENESIS, CMS-Flow, DNR-BS.

Модели гидродинамики и распространения заг­рязнений:

•    ADCIRC, MIKE21-HD, RMA-2, CMS-Flow, MIKE21-AD, RMA-4.

для Минрегионразвития

Впрочем, сотрудничество с корпорацией «Росатом» — это хоть и важный, но не единственный пример системного участия СКБ САМИ в решении задач государственной значимости. Так ещё в 2012 году, по заказу Министерства регионального развития была выполнена работа «Исследования цунами опасности Черноморского побережья России». И в рамках реализации этого проекта был представлен полный комплекс отраслевых расчётов, имеющих, без преувеличения, громадное значение для минимизации сейсмических рисков. В результате специалисты СКБ САМИ выполнили модельные расчёты для основных пунктов побережья Чёрного моря.

Здесь же были представлены рассчитанные высоты волн от двух исторических событий — цунами в Турции 1939 года и Анапского цунами 1966 года. При этом сотрудники специализированного конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований, разумеется, учитывали современную инфраструктуру. Наконец, при проведении профильных работ учитывались ещё два аналога — наиболее сильные сейсмические события в Чёрном море (1942 и 1944 годы) с магнитудой 6.5.

Амплитуда распределения предполагаемого цунами вдоль российского побережья Чёрного моря, с юга на север

Как отмечают в СКБ САМИ, все выданные здесь прогнозы определены на основании моделирования известных цунами двадцатого века, прогностических цунами с магнитудой более 6.5 и так называемых гидродинамических цунами, позволяющих сопоставить высоты цунами в различных населённых пунктах. В итоге была построена точная карта затопления и силового воздействия на побережье. И прогностическое значение высоты волны здесь определялось (в качестве максимального, из суммы всех данных) с точностью до полуметра. Причём для каждого из изученных населённых пунктов на Черноморском побережье.

Расчёт и оценка

Из всех наиболее значимых работ, выполненных СКБ САМИ, стоит также выделить изучение динамики оценки влияния на прибрежную инфраструктуру, геоморфологию (изменение береговых линий наносными размывами). Что подразумевает, разумеется, расчёт и оценку эффективности объектов прибрежной морской инженерии.

Полученные данные и результаты исследования, а также численного моделирования, крайне важны для понимания волновой динамики в реальных условиях и с учётом потенциальных объектов прибрежной инженерии. При этом стоит отметить, численное моделирование с помощью высокоточных моделей позволяет оценить ситуацию и посмотреть, что будет, если использовать так называемые меры ограничения воздействия.

Об улучшении водообмена

В 2013 году специалисты СКБ САМИ, в рамках проекта министерства экономического развития Сахалинской области, выполнили работу по изучению существующего в настоящее время водообмена озера лагунного типа Тунайча с Охотским морем. Исследование касалось, главным образом, поиска путей улучшения водообмена в озере. В результате проведённых комплексных измерений, для чего использовались приборы собственного производства, были изучены гидрологические параметры в толще жидкости от поверхности до дна в заданных горизонтах.

Полученные данные можно было назвать, без преувеличения, уникальными, поскольку ни с чем подобным специалисты в этом районе ранее не сталкивались. Далее, с помощью численного моделирования было уделено внимание распределению солёности, температуре и скоростям течений. После чего были найдены оптимальные размеры протоки. И эта работа также является крайне важной, поскольку после сезонных осенних штормов русло протоки изменяется. Кроме того, размывается часть автомобильной дороги. Ну и, конечно же, такие исследования могут и в дальнейшем иметь прикладной характер. Ведь необходимость развития современной прибрежной инфраструктуры диктует жёсткие требования к качеству оперативной и статистической информации о волновых режимах. Что невозможно без проведения длительных и, разумеется, высокоточных наблюдений. А также численного моделирования с использованием высокоточных моделей.

Данные измерений приборами гидростатического давления и распределения скоростей течений позволят провести анализ волновых процессов в южной части Охотского моря. И выстроить региональные характеристики ветрового давления в этом районе. В дальнейшем тут будет проведено численное моделирование с учётом потенциальных объектов прибрежной инженерии (волноломов) для того, чтобы уменьшить гидродинамическое воздействие на объекты прибрежной инфраструктуры.

Результаты такой научной работы позволят снизить ущерб от негативных природных явлений за счёт правильного планирования хозяйственной и промышленной деятельности. Соответственно, экономика как Сахалина, так и других регионов, которые также могут стать участниками реализации аналогичных проектов, получат стимул для дальнейшего системного развития. А это уже — решение задачи государственной значимости.

Александр МАТВЕЕВ