МАТЕМАТИЧЕСКОЕ
МОДЕЛИРОВАНИЕ КАТАСТРОФ:
ПОНЯТЬ ПРИЧИНУ —
ПРЕДУПРЕДИТЬ —
СМЯГЧИТЬ ПОСЛЕДСТВИЯ
С 18 по 21 сентября в Барнауле проходила IX Всероссийская конференция «Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф». Широкий спектр рассматриваемых на конференции задач традиционно нацелен на предупреждение и уменьшение ущерба от самых разнообразных кризисных явлений: от волн цунами до преднамеренных атак на информационные сети.
Ю. Плотников, «НВС»
Значительная часть нашей страны находится в зонах, подверженных воздействию землетрясений, цунами, оползней, наводнений и других аномальных природных явлений. По мере освоения новых территорий всё большая часть важных хозяйственных объектов и населенных пунктов оказывается в зоне риска. Неумолимо движется вперед и технический прогресс, и, как его оборотная сторона, усиливается опасность техногенных катаклизмов, нарастают суммарные ущербы. Обобщение теоретических результатов для решения самых актуальных практических задач — традиционная тематика всероссийских конференций по вычислительному моделированию природных и антропогенных катастроф.
Начало традиции было положено совещанием по цунами, организованным ак. Ю.И. Шокиным в Красноярске в 1990 году. За истекшее время серьезно расширились и тематика, и география конференций. Нынешнюю, уже девятую по счету, принимал Барнаул. Организаторами конференции стали институты Вычислительных технологий, Водных и экологических проблем, Вычислительного моделирования СО РАН, Красноярский научный центр СО РАН, Новосибирский и Алтайский государственный университеты, НГТУ, Главное управление МЧС по Алтайскому краю, администрации Алтайского края и г. Барнаула, технопарк «Новосибирск», научно-производственные объединения «Тайфун» и «СибЭРА».
 |
|
В столице Алтая собрались 123 специалиста из научно-исследовательских институтов, вузов и предприятий Алматы, Барнаула, Екатеринбурга, Иркутска, Кемерова, Красноярска. Кызыла, Мичуринска, Москвы, Новосибирска, Омска, Перми, Петропавловска-Камчатского и Камчатской области, Санкт-Петербурга, Ташкента, Томска, Трёхгорного (Челябинской обл.), Тюмени, Улан-Удэ, Ханки, Читы, Южно-Сахалинска, Якутска. Среди участников — академик и член-корреспондент РАН, 32 доктора и 38 кандидатов наук, 25 молодых ученых.
В рамках конференции состоялись четыре сопутствующих мероприятия: выездные заседания научно-координационного совета программ СО РАН «Разработка научных основ распределенной информационно-аналитической системы на основе ГИС и Веб-технологий для междисциплинарных исследований» и «Информационно-телекоммуникационные ресурсы СО РАН», совещания разработчиков систем прогнозирования характеристик цунами на дальневосточном побережье России в рамках ФЦП «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в РФ до 2010 года» и исполнителей интеграционного проекта СО РАН «Моделирование антропогенных воздействий и разработка методов оценки риска на территориях Сибири и Крайнего Севера». Каждое из них заслуживает отдельного подробного рассказа, каковые мы намерены предоставить вниманию читателей в ближайших номерах «НВС». А пока — вспомним несколько ярких моментов.
Что такое катастрофа и как с ней бороться?
Возможно ли «поверить алгеброй» непредсказуемость стихии? Способно ли человечество адекватно реагировать на вызовы порожденного им научно-технического прогресса? И в наших ли силах вообще противостоять силам природы?
— На самом деле, задача стоит более простая и понятная, — говорит академик Ю. И. Шокин. — Мы должны сделать всё, чтобы уменьшить последствия некоторых явлений, которые называем катастрофическими.
Катастрофа — понятие относительное. Те явления, которые воспринимает в качестве катастроф человек, для природы вполне естественны. Меняется ландшафт, климат, направления течений рек, приходят тайфуны… Для человека их последствия катастрофичны, но для природы они вполне естественны. И деление на природные и антропогенные катастрофы довольно условно. Например, сейсмичность может быть вызвана заполнением водохранилищ крупных электростанций. Либо опустынивание: где-то оно вызывается естественными процессами, а где-то деятельностью человека — уничтожением лесов, вторжением в гидрологические процессы… Те же оползни могут вызываться естественными причинами, а могут взрывами, соответствующим образом направленными. Но математические уравнения, описывающие, допустим, океанические течения и ток крови в сосудах у человека — одни и те же.
Моделирование помогает получить некоторые количественные данные, характеризующие явление, а уже дело администрации — принимать управленческие решения. И если бы такие решения принимались с учётом научных прогнозов, во многих случаях серьезного ущерба можно было бы избежать.
Постичь волну
Исследованием цунами — одного из самых грозных проявлений морской стихии — в нашей стране всерьез стали заниматься с 1952 года, когда страшная волна в одночасье стерла с лица земли город Северокурильск. Проблема цунами на протяжении десятилетий была одной из любимых научных задач М. А. Лаврентьева. А в 1974 году по инициативе
ак. Н.Н. Яненко в лаборатории Ю. И. Шокина начались работы по численному моделированию волн цунами, из которых выросла мощная научная школа. Многие ее представители доложили свои новейшие результаты на барнаульской конференции.
Причины возникновения цунами таинственны и разнообразны. Чаще всего они вызываются подводными оползнями, извержениями вулканов или землетрясениями. В последние годы всё большее внимание специалистов привлекает так называемый стоковый механизм генерации цунами. Так случается при кратковременном стоке воды в донные трещины, порожденные землетрясением: сначала уровень воды в данном участке океана резко «проваливается», затем два встречных фронта стремительно сталкиваются между собой, образуя «холм» из воды, которая и распадается потом на длинные волны большой амплитуды. Для адекватного моделирования таких волн желательно привлекать полные модели волновой гидродинамики, однако предварительные результаты могут быть получены и на основе приближенных моделей. Два возможных подхода были опробованы группами профессоров Л. Б. Чубарова и Г. С. Хакимзянова. Сопоставление результатов позволяет утверждать, что обе модели правильно описывают качественную картину генерации волн, а их сравнение с известными экспериментальными данными демонстрирует приемлемую точность предлагаемых методов численного моделирования.
В Индийском океане
Опыт международного сообщества по смягчению последствий природных морских катастроф убедительно показал, что важнейшей предпосылкой адекватного реагирования на угрозу цунами является математическое моделирование прохождения волны от источника генерации до наката на побережье. Именно эта заключительная фаза наиболее трудна для исследования. Она требует достоверной информации о самой волне, детального описания побережья, точных сведений о глубинах и структуре дна.
В настоящее время Институт вычислительных технологий ведет три больших проекта по моделированию наката цунами на ограниченный участок побережья: на Камчатке, в Израиле и в Индии. Камчатский регион — традиционный объект приложения сил. Израильтян беспокоит теоретическая возможность повторения зафиксированного по историческим данным в середине II тыс. до н.э. прихода 30-метровой волны на Левантийское побережье. Пока, правда, рассчитанные «лучи» от потенциальных источников цунами «светят» в сторону Египта. А гигантская волна в Индийском океане, вызванная Суматранским землетрясением 26 декабря 2004 года, еще не выветрилась из памяти.
В докладе З. И. Федотовой, Г. С. Хакимзянова и Л. Б. Чубарова (ИВТ СО РАН) сделан подход к моделированию наката цунами на конкретный участок побережья в Бенгальском заливе. Выбранные авторами вычислительные алгоритмы основаны на классических уравнениях мелкой воды. Построены три группы моделей: о накате уединенной волны на одномерный берег; то же самое, но с учетом неоднородного рельефа дна и суши; наконец, третья группа осложнена наличием в прибрежной зоне неких сооружений. Результаты вычислительных экспериментов позволили оценить сравнительные возможности алгоритмов моделирования, определить направления их дальнейшего совершенствования.
Теория всесильна
Экстремально высокие волны, примерно вдвое выше средней амплитуды, которые по не вполне понятным причинам время от времени порождает стихия моря, специалисты называют «волнами-убийцами». Некоторые полагают, что первое в мировой литературе описание этого грозного явления приведено в пятой песне гомеровской «Одиссеи», там, где «большая волна поднялась и расшиблась» над утлым плотом героя-скитальца. Согласие или противление подобной интерпретации классического текста зависит всецело от степени энтузиазма. Но доподлинно известно, что за последнюю четверть ХХ века жертвами «волн-убийц» стали 22 танкера. Во всём мире задача их изучения признается весьма актуальной и практически значимой.
Москвич Роман Шамин (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН) занимается прямым моделированием «волн-убийц». «Прямое моделирование» означает, что в данном случае не строятся специальные математические модели, но решаются точные уравнения гидродинамики, описывающие течение идеальной жидкости со свободной поверхностью. В Барнауле исследователь доложил последние результаты своей работы, позволяющие придать вычислительным экспериментам доказательную силу. Похоже, в теории идеальной жидкости удается вывести уравнение, не просто описывающее, но прямо-таки предписывающее возникновение «волн-убийц». Немного перефразируем классика марксизма: теория всесильна, когда она верна!
Порт
Примерно раз в 50 лет с ЮВ румба на город-герой Новороссийск наваливается страшной силы шторм. Под мощным воздействием воды достаточно слабые в этих местах донные грунты приходят в движение, и в акватории Цемесской бухты образуются наносы, препятствующие входу и выходу судов. Это бы еще полбеды — стихия есть стихия, -но после того, как в Новороссийске началось интенсивное строительство портовых сооружений для будущей главной базы российского Черноморского флота, донные процессы приобрели невиданную ранее динамику, и их исследование немедленно стало вопросом первостепенной важности.
Построение общей модели движения наносов затруднительно и в настоящее время не завершено. Как правило, моделируются отдельные компоненты процесса. Профессора И. С. Нуднер
и В. В. Максимов из Санкт-Петербурга в своей работе рассматривают две конкретные задачи — отложение наносов у береговой линии и у мола. Предложенные ими методы позволяют также оценить общее количество наносов, проникающих в акваторию порта.
Тяжелый все-таки характер у Цемесской бухты, сложный. Там ведь еще и бора есть (кстати, еще одна любимая задача Михаила Алексеевича Лаврентьева). Положа руку на сердце, не надо бы здесь находиться центральной базе флота. Но когда политики не могут договориться, приходится ломать голову ученым.
Дорога на мерзлоте
Федеральная автотрасса «Амур» Чита — Хабаровск — одна из крупнейших строек современной России. Дорога имеет протяженность 2165 км и пересекает территории с весьма неоднородными природными условиями, и самое коварное из них — мерзлота. При строительстве и эксплуатации дороги мерзлотная обстановка существенно меняется, начинаются вспучивания, просадки, термоэрозия и другие неблагоприятные явления.
Пример. Река Чиген пересекает трассу на 247-м километре. Вместо первоначально задуманного трехпролётного моста здесь решили возвести насыпь высотой 15 м с водотоком диаметром 3,5 м. Просадка полотна, вызванная оттаиванием мерзлоты под насыпью, началась почти сразу. В ремонт 150-метрового участка в 2006 г. закопали 10 млн рублей. Через 11 месяцев пора всё начинать сначала. Об этом на конференции рассказал В. Г. Кондратьев (ТрансИГЭМ, Москва). Для предупреждения подобных ситуаций в будущем предложено сформировать систему инженерно-геокриологического мониторинга автодороги (СИГМА «Амур»), где были бы прописаны организационные, финансовые, методические и технические аспекты мерзлотоведческого сопровождения ее эксплуатации.
А 247-й километр, видимо, придется теперь «методом грубой силы» отсыпать до победного конца — до полного вытаивания мерзлоты под насыпью. Транссиб уже сто лет починяем — и ничего, ездим.
Борьба за живучесть
Безопасность технических систем во многом определяется их живучестью, т.е. способностью сохранять ограниченную несущую способность после аварий. «Живучие» системы после выхода из строя какого-то элемента продолжают оказывать сопротивление внешним нагрузкам, что позволяет эвакуировать людей и материальные ценности и организовать необходимые ремонтные работы. Системы с меньшей живучестью разрушаются катастрофически, что зачастую сопровождается большими материальными потерями и даже человеческими жертвами. Следовательно, при проектировании технических систем нужно оценивать живучесть и принимать решения, ее повышающие.
В докладе В. В. Стружанова (Институт машиноведения УрО РАН, Екатеринбург) проведена математическая формализация задачи живучести, основанная на рассмотрении полной группы сценариев аварийных ситуаций. Их вероятность оценивается на основе элементарных данных, после чего сценарии проигрываются, исходя из положения, что авария соответствует моменту потери устойчивости механической системы. Затем определяется параметр, характеризующий плавность изменения несущей способности, коррелирующий с уровнем потери системой энергии и, наконец, рассчитывается обобщенный параметр живучести. Методика проиллюстрирована на примере расчета на живучесть одной простой стержневой системы.
Дело за управлением
Полученные учеными теоретические результаты в области исследования природных и антропогенных катастроф готовы к применению для решения самых актуальных практических задач прогнозирования, смягчения последствий и выхода из кризисов, порожденных катастрофами.
Участники конференции единодушно признали приоритетными следующие направления своих дальнейших действий:
— разработка и реализация ГИС-технологий и математических методов моделирования природных и антропогенных катастроф в целях рационального природопользования и устойчивого развития;
— организация контроля и мониторинга техногенной и экологической обстановки в регионах, разработка мероприятий по предотвращению природных опасностей и минимизации экономического ущерба;
— разработка эффективных технологий обеспечения безопасности и живучести компьютерных сетей.
— В нормальном обществе экспертные оценки должны приводить к некоторым решениям, — убежден ак. Ю.И. Шокин. — Но часто такие решения декларируются, но не исполняются. Решения могут считаться настоящими, когда за ними следует некоторый перечень мер по их выполнению, более того, сопровождаемый некоторым финансовым наполнением. Недавний пример из новостей — новый премьер проводит совещание по Сахалину. Решения-то там были приняты правильные, но не выполнялись. В Советское время тоже механизм был не очень хороший, но раз в пятилетку хотя бы директивы составлялись. Экспертная оценка прозвучала, а дальше — задача управления. А главный принцип управления — взаимодействие.
Фото автора
стр. 8-9
|
