Гулливерские были. Как моделирование помогает узнать «характер» рек
Климатические сбои дают о себе знать: наводнений и паводков во всем мире становится больше. Обуздать грозные силы природы никому не дано. А вот предугадать удары стихии и смягчить их последствия можно. Чтобы понять природу этих процессов и вникнуть в «характер» могучих рек, на которых стоят или скоро появятся сооружения вроде плотин, петербуржцы строят пространственные модели. Государственный гидрологический институт (ГГИ) создает копии участков таких рек на своей главной экспериментальной базе, находящейся под Зеленогорском. Точнее, в русловой лаборатории этого подразделения – крупнейшей в России, которая в Год науки и технологий открыла двери для журналистов.
На больших реках доплеровский профилограф – измеритель скорости водного потока и уровня воды – используют тоже. Но устанавливают его на лодке или самоходной установке. / ФОТО АВТОРА
По заветам Вернадского
Гидрологическая служба существует в России 187 лет – она была создана при Николае I. Что к этому подтолкнуло – только ли катастрофические паводки, заставившие развернуть такого рода исследования? Конечно, нет. В нашей стране, говорят специалисты, насчитывается 2,5 млн рек, озер и речушек, и со многими из них с давних пор связана хозяйственная деятельность.
Но центральная научная организация этого профиля возникла только в советскую пору: два года назад ГГИ отметил вековой юбилей. Институт по изучению водного хозяйства России появился (не без участия академика В. И. Вернадского) под эгидой Академии наук в 1919 году – на базе «водного» отдела одной из ее комиссий. Разместился он в красивейшем особняке на Васильевском острове – в доме купца Бекеля (2-я линия, д. 23). А первым его директором стал известный специалист в сфере гидродинамики В. Г. Глушков.
Со временем к изучению пресноводных объектов приступили и другие институты. Но ГГИ, исследующий водохозяйственный комплекс страны, остается одним из ведущих научных учреждений в системе Росгидромета. Его рекомендации по уменьшению ущерба от паводков, использованию водных объектов при строительстве мостов, плотин и водохранилищ очень востребованы. Ведь они опираются на прочную научную базу и эксперименты, а потому и точны.
Нужны примеры? Да сколько угодно. Река Ия: почему паводок в районе Тулуна принес такие разрушения и что предпринять, дабы это не повторилось, выясняли сотрудники ГГИ. Река Дон: они же определили, какие сооружения, защищающие от половодья, должны появиться на опасных участках ее русла. Река Мзымта: как она поведет себя после строительства незадолго до сочинской Олимпиады-2014 новых магистралей, тоже подсказали петербуржцы.
В леса – к Юля-Йоки
Значимых объектов у института было немало. Это и прибрежная инфраструктура газопровода «Северный поток-2» (Ленобласть), и крупные энергетические мощности вроде Майкопской ГЭС (Адыгея). И пересекающая реки железнодорожная линия Надым – Пангоды (Ямал), и Сайменский канал, где начались работы по реконструкции (Финляндия – Россия).
Ну а местные реки? В Ленобласти они довольно покладистые. А Нева в институте «отметилась» тоже: при строительстве Балтийской трубопроводной системы гидрологи моделировали распространение при аварии нефтяных пятен.
Разные регионы, собираясь возвести мостовые переправы, дамбы или гидроэлектростанции, обращаются за советом к петербуржцам и сегодня. По словам директора ГГИ Сергея Журавлева, ежегодно институт реализует 50 – 70 подобных проектов, задействуя свою главную экспериментальную базу (ГЭБ), находящуюся недалеко от Петербурга, в поселке Ильичево. Без нее выполнить добрую половину таких проектов гидрологи бы не смогли. А потому стоит рассказать о ней подробнее.
Решение о строительстве такой базы было принято в июне 1946 года – на этот счет вышло особое постановление Совмина СССР. И вскоре на берегу речки Юля-Йоки, петляющей среди густого леса, появились корпуса с оборудованием, необходимым для экспериментирования и апробации приборов, используемых на гидрологических постах. А неподалеку, в заказнике Ламмин-Суо, – старейшая в России болотная станция.
Увы, не все лаборатории ГЭБ выдержали испытание временем. Некоторые перестали существовать в 1990-е годы, когда казна оскудела и финансирование подобных работ упало почти до нуля. Но русловая лаборатория, где моделируют движение рек, прогнозируют ледовые заторы, деформацию дна после появления на реках сооружений и прочие процессы, к счастью, осталась. Без нее гидрологи – как без рук.
Система с обратными связями
Вместе с хозяевами лаборатории мы поднимаемся на площадку, тянущуюся вдоль этого огромного, более 1,5 тыс. кв. метров, помещения. Отсюда участок Дуная в 7 км как на ладони (ощущаешь себя этаким Гулливером), вернее, его уменьшенная копия. У берегов этой реки в Венгрии стоит АЭС «Пакшт-2». Собираясь расширить канал, подающий туда воду, специалисты намеревались понять, выполнимо ли такое, учитывая ее уровень на Дунае и скорость течения.
Казалось бы, при современных технологиях это пара пустяков: заложил цифры в компьютер, построил математическую модель – и готово. Но не все так просто, считает кандидат технических наук Виктор Католиков, заведующий отделом русловых процессов ГГИ.
«Взаимодействие текущей жидкости и неподвижного дна – малоизученная сфера, – поясняет он. – Механизм движения донных наносов дискретен. Поток воды их формирует, но и они в свою очередь оказывают на него влияние. Это система с обратными связями, где торжествует случайность, поэтому она не поддается математическому описанию».
Легче изучать законы движения звезд, чем полноводной реки, текущей по сложному рельефу, считают гидрологи, возлагая на моделирование большие надежды / ФОТО АВТОРА
Воспроизвести тонкие процессы своими руками, используя оборудование для разделения грунтов на «мокрые» фракции, гидравлические лотки разной длины и ширины, всякие материалы, тоже непросто. Но гидрологам – при точных расчетах и соблюдении методики – это удается.
«Формируя поток, важно избежать пульсации, вызванной работой насосов, а достичь этого можно по-разному. У нас вся лаборатория – замкнутая водосборная система. Вон видите бак? – показывает провожатый. – Из него по трубам на модель поступает вода, потом через отверстия она уходит в емкости, расположенные под полом. А оттуда – в другой бак, и насосы возвращают ее на прежнее место. Вода ходит по кругу, но на «рельефе» течет ровно, без пульсаций».
Без русского авось
Модель русла реки с его уклонами и должным масштабом, зависящим от решаемых задач, строится обычно месяца полтора: здесь воссоздавали участки таких рек, как Обь и Иртыш, Вычегда и Двина, Хани и Нюкжа. А эксперименты длятся порой всего пару недель. Правда, если заказчик по ходу дела их программу расширит, исследования и замеры займут больше времени.
В пору увлечения цифровым моделированием такие лаборатории в других научных центрах страны, пережив лихолетье, исчезли. Сколько их осталось в России – пересчитать можно по пальцам руки. Но они меньше петербургской. А значит, способны решать лишь задачи, для которых большие площади при моделировании не нужны, добавляет Католиков.
Между тем из-за глобального потепления возрастает амплитуда явлений, вызывающих паводки и наводнения. Этот климатический маятник, мы видим, раскачивается сильнее и чаще. Как быть? Перво-наперво – сохранять здравый смысл, полагают русловики ГГИ.
Возводить города в пойме реки опасно, убеждают они, но уж если вопреки нормативам построили, как в Тулуне, не надейтесь на русский авось. Смоделировав участок этой реки, сотрудники института вычислили расход воды на пике паводка и увидели, как избежать таких бедствий в дальнейшем.
«Но вообще наводнения в Германии вновь показали, что к такому развитию событий нужно готовиться, подтягивая науку, многим. Только все ждут от нее мгновенной пользы, а так не бывает», – сетует завотделом русловых процессов.
Исполинский эталон
Как ведут себя настоящие, а не рукотворные реки, гидрологи изучают, испытывая (среди прочего) новые методики и приборы. Во время приезда журналистов, установив такой акустический прибор на плоту, они пустили его от берега к берегу, определяя скорость течения, глубину и ширину реки (в данном случае – Юля-Йоки), а компьютерная программа писала показания.
«Если не будет погрешностей, – комментирует Сергей Бузмаков, возглавляющий эту службу в ГГИ, – новинку можно брать на вооружение и ставить на постах Росгидромета для мониторинга и борьбы с паводками».
А вот действующие приборы проходят через руки его коллег. На территории ГЭБ находится огромный государственный эталон скорости водного потока. Это 140-метровый бассейн шириной четыре метра – по сути, канал с водой, над которым быстро или еле заметно перемещается на рельсах машина, поверяя речные измерители разной конструкции.
«Методика проста и надежна, – говорит заведующий лабораторией метрологии и стандартизации Олег Герасимчук, – вода тут неподвижна, а машина с опущенным на заданную глубину объектом поверки воспроизводит скорость течения».
Зафиксировав показания, метрологи выносят вердикт: оставить речной прибор-«вертушку» поработать или отбраковать. Их оценка неоспорима, ведь чем больше эталон-бассейн, тем она достовернее. А больше петербургского (его погрешность – менее 0,5%) нет ни в России, ни в ближнем зарубежье.
Потому-то сюда везут средства измерения отовсюду, и не только простые вроде «вертушки». Акустический доплеровский профилограф – сложный прибор, измеряющий речной «пульс», – петербуржцы поверяют на автоматической эталонной системе американского производства, появившейся лет десять назад на противоположном конце этой водной «трубы».
Удивительнее всего то, что рельсовая машина, пусть и модернизированная не единожды, была построена на одном из ленинградских заводов в 1960-е годы – и до сих пор нарасхват. Да, прогресс не стоит на месте, другие средства поверки сегодня тоже в ходу. Но этот ветеран делает свою работу и дешевле, и едва ли не точнее молодых электронных собратьев.
Материал опубликован в газете «Санкт-Петербургские ведомости» № 177 (7014) от 22.09.2021 под заголовком «Гулливерские были».
Комментарии