Структура и состав генеральной схемы берегозащитных мероприятий для побережья Азовского моря

УДК 621.642.07

К.Н. МАКАРОВ, доктор техн. наук, профессор кафедры Строительства и сервиса Сочинского государственного университета, г. Сочи

Ключевые слова: берегозащитные мероприятия, генеральная схема, база данных, прогностическая система, проектный блок, проектная группа
Keywords: coastal protection measures, general scheme, database, predictive system, project unit, project team

В статье излагаются предложения по разработке генеральной схемы берегозащитных меро­приятий для побережья Азовского моря в виде автоматизированной системы. Предложена структура этой системы в составе базы данных, прогностического блока, проектного блока и интеллектуального интерфейса. Приводится состав указанных блоков. Выделены элементы основных видов обеспечения работы системы. Дается примерный состав рабочей проектной группы для разработки генеральной схемы.
The proposals for the development of a general scheme of coastal protection measures for the coast of the Sea of Azov in the form of an automated system are presented. The structure of this system is proposed as part of a database, a predictive block, a project block and an intelligent interface. The composition of these blocks is given. The elements of the main types of ensuring the operation of the system are highlighted. The approximate composition of the working project group for the development of the general scheme is given.

В связи с геополитическими событиями, Азовское море стало внутренним морем Российской Федерации. На его берегах расположено большое количество объектов как инженерной инфраструктуры – порты, автомобильные и железные дороги, сельскохозяйственные производства, предприятия добычи полезных ископаемых и т.п., так и рекреационной – санатории, дома отдыха, кемпинги, пляжи и т.п. [1, 2].

В то же время, берега Азовского моря на многих участках разрушаются и деградируют. Рекреационные комплексы не обеспечены пляжной инфраструктурой в нормативном объеме. Проводимые берегозащитные мероприятия не соответствуют современным требованиям и зачастую не имеют научного обоснования. На некоторых участках побережья ведется несанкционированная хозяйственная деятельность, не совместимая с экологическими требованиями [3-5].

Таким образом, берега Азовского моря нуждаются в проведении комплексных берегоукрепительных мероприятий на современном научном и техническом уровне.

Согласно п. 6.3 нормативного документа [6] проектирование берегозащитных меро­приятий должно осуществляться на основе генеральной схемы по данному региону, подтверждающей их технико-экономическую целесообразность и удовлетворяющую природоохранным и экологическим требованиям.

Как видно из положений нормативного документа [6], разработка генеральной схемы берегозащитных мероприятий представляет собой сложную научно-техническую задачу, требующую привлечения как ученых (географов, геоморфологов, океанологов, геологов, экологов, гидротехников), так и специалистов по проектированию морских гидротехнических сооружений.

Разрабатываемая на современном уровне генеральная схема берегозащитных мероприятий, должна представлять собой автоматизированную систему, имеющую необходимую структуру и состав. Научные основы такой системы были заложены в работе [7] и затем частично реализованы при разработке Информационно-прогнозной автоматизированной системы береговой зоны Калининградской области «ИПАС» [8, 9]. Данные разработки могут быть приняты за основу при разработке автоматизированной генеральной схемы берегозащиты побережья Азовского моря.

Структура генеральной схемы

Основной целью рассматриваемой автоматизированной генеральной схемы (АГС) является оптимизация комплекса инженерных мероприятий по защите и благоустройству берегов Азовского моря.

Как следует из рекомендаций нормативного документа [6], на первом этапе разработки, все побережье должно быть разделено на литодинамические системы. Внутри этих систем по аналогии с системой [8, 9] (рис. 1) предлагается выделить прямоугольные фрагменты, которые должны перекрывать друг друга примерно на 20% (по принципу аэрофотосъемки).

В рамках фрагментов на основе собст­венных прямоугольных координатных систем создаются цифровые модели мест­ности (ЦММ). Точки начала координат каждого фрагмента определяются в рамках единой системы координат (прямоугольных геодезических координат). Кроме того, задаются азимуты (дирекционные углы) осей ОХ каждого фрагмента. Таким образом, для любой точки сети любого фрагмента могут быть определены общие координаты.

Цель АГС достигается на основе данных о существующих природных условиях и сооружениях, происходящих природных процессах, научных исследований и прогнозов, математического и физического моделирования природных процессов, проработки вариантных проектных решений с последующими проектными предложениями в рамках литодинамических систем и их фрагментов.

Таким образом, АГС состоит из следующих основных частей:

– база данных, содержащая необходимую информацию и обеспечивающая доступ к ней для других элементов системы и внешних пользователей. Она должна быть обеспечена геоинформационным блоком для визуализации информации, создания тематических карт, отслеживания динамики береговых процессов по картографическому материалу прошлых лет;

– прогностическая система, позволяющая на основе математического моделирования прогнозировать береговые процессы как в естественном состоянии, так и при проведении различных инженерных мероприятий. На основе такого прогноза определяются оптимальные проектные решения;

– проектный блок. Здесь разрабатывается проектная документация для рекомендуемых инженерных мероприятий на эталонных участках каждого фрагмента (такого блока в системе «ИПАС» не было).

Работа АГС должна обеспечиваться интеллектуальным интерфейсом, который объединяет все части системы и создает комфортную среду для пользователей.

Состав блоков генеральной схемы

База данных (БД) решает две основные задачи:

1. Обеспечение информацией прогностической части системы.

2. Предоставление информации, (в том числе на основе раздела геоинформатики), для органов управления, проектировщиков и других пользователей.

Геоинформационные системы (ГИС) в рамках автоматизированной генсхемы нацелены на решение следующих задач:

1. Картографическое обеспечение системы.

2. Визуализация данных.

3. Обработка и анализ пространственно-распределенной информации.

Необходимо особо подчеркнуть, что АГС является объектно-ориентированной системой (на управление прибрежной зоной), то есть, предназначена для работы не со всеми объектами реального мира, а лишь с некоторой их совокупностью, называемой предметной областью. Полное и исчерпывающее описание даже весьма узкой предметной области в БД на существующем уровне развития вычислительной техники (и в обозримом будущем) – задача неосуществимая. Поэтому при разработке конкретных БД необходимо в первую очередь очертить круг задач, решаемых соответствующей автоматизированной системой (в данном случае АГС) и определить набор данных, необходимых для их решения.

Опыт разработки и эксплуатации различных БД позволил выработать наиболее общие требования к ним [7]:

– адекватность базы данных предметной области;

– минимальная избыточность хранимых данных;

– простая физическая организация и реорганизация;

– способность к расширению и вводу новых типов данных;

– обеспеченность защиты данных от несанкционированного доступа или случайного уничтожения.

Содержание БД АГС в первом приближении может быть представлено следующими разделами:

РЕЛЬЕФ. Здесь вводится информация о рельефе надводного и подводного берегового склона в масштабах 1:500-1:5000. Если имеются данные батиметрических съемок за несколько лет, то они также помещаются в этот набор в виде отдельных файлов, что дает возможность прогнозировать в дальнейшем деформации берега статистическими методами.

ЛИТОЛОГИЯ. Набор содержит данные о гранулометрическом составе, прочности и классе окатанности наносов на подводном береговом склоне и надводном пляже, а также толщину шлейфа наносов с тем, чтобы иметь возможность расчета отмостки в процессе моделирования деформаций дна и берегов.

ГЕОЛОГИЯ. Вводятся данные по характеристикам грунтов, подстилающих шлейф наносов на надводной и подводной частях берегового склона. Данные вводятся по результатам бурения, геофизической разведки, прокладки шурфов или по имеющимся геологическим картам и разрезам.

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЯ. Набор содержит следующую информацию:

– среднемноголетние и сезонные розы ветров и волнений по данным наблюдений на морских гидрометеорологических станциях и постах;

– хронологические ряды максимальных, минимальных и средних за год уровней моря по всем станциям за весь имеющийся период наблюдений;

– отметки уровней 1, 5, 10, 50, 90% обеспеченности;

– количество безледных дней в году.

Гидрометеорологические характеристики по данным наблюдений на морских гидрометеорологических станциях задаются едиными для всего фрагмента побережья.

СООРУЖЕНИЯ. Информация о сооружениях хранится как в виде цифровых моделей местности – соответствующих файлов для работы прогностической части системы, так и в виде их эксплуатационных карт (паспортов). Они должны быть разработаны в типовом виде для всех видов гидротехнических сооружений, встречающихся на соответствующем побережье.

Дополнительно в состав БД можно включить следующую информацию:

– административно-территориальная структура береговой зоны;
– кадастр пользователей и гидротехнических сооружений;
– законодательная база;
– земельный кадастр;
– экология побережья;
– функциональное зонирование.

Окно фрагмента БД ИПАС для примера показано на рис. 2.

Данные в рассматриваемой БД должны обеспечивать решение задач прогнозирования береговых процессов, проектирования и реализации различных берегозащитных мероприятий. Кроме того, в процессе эксплуатации берегозащитных и иных инженерных сооружений на морских берегах возникают задачи оптимизации эксплуатационных расходов. А это в свою очередь требует наличия в БД паспортов этих сооружений и внесения в них соответствующих изменений в ходе эксплуатации. Это же относится к участкам берегов без сооружений, где проводились какие-либо инженерные мероприятия (отсыпки инертных материалов или их изъятие, перепрофилирование откосов и т.п.). Таким образом, возникает задача ведения в рамках БД комплексных паспортов по всему периметру берегов.

На основе информации, хранящейся в базе данных АГС, могут быть также определены участки побережья, где данные отсутствуют или не достаточны с целью организации целенаправленных изыскательских работ. Может быть выполнена оценка текущего состояния прибрежных территорий с точки зрения их использования в рекреационных и хозяйственных целях.

С использованием прогностической части системы решаются следующие задачи:

– оценка состояния побережья в целом и его отдельных частей с точки зрения динамического равновесия;
– прогноз развития береговых процессов во времени и пространстве в существующих условиях;
– прогноз динамики берегов при проведении инженерных мероприятий всех типов (как по управлению береговыми процессами, так и всех остальных);
– определение оптимальных вариантов управления береговыми процессами;
– оценка воздействия иных мероприятий на динамику берегов и разработка рекомендаций по их оптимизации с этой точки зрения.

Для решения указанных задач система должна позволять выполнять следующие расчеты:

– расчет поля дрейфовых течений;
– если ветер с моря, то – расчет генерации волн ветром на глубокой воде или промежуточной глубине;
– расчет трансформации, рефракции, обрушения ветровых волн или волн зыби и полей мгновенных максимальных и осредненных по времени и глубине волновых течений как в мелководной, так и в прибойной зонах;
– расчет суммарных (ветровых, волновых и градиентных) мгновенных и осредненных течений;
– расчет вдольберегового транспорта наносов;
– расчет профилей относительного динамического равновесия;
– расчет деформаций дна и берегов с учетом возможной отмостки и влияния наиболее распространенных на побережье Азовского моря гидротехнических сооружений (бун, продольных стен, срезки береговых откосов, подачи материала на пляжи по пульпопроводам, отсыпок галечных пляжей на песчаную основу и т.п.).

В прогностических программах используются как нормативные расчетные методы, так и математические модели пионерного характера. Схема прогностической части АГС представлена на рис. 3.

В Проектном блоке АГС разрабатываются эталонные (рекомендуемые) проекты берегозащитных мероприятий для одного из участков каждого фрагмента каждой литодинамической системы. Проекты выполняются на основе BIM-технологий с созданием цифровых моделей объектов проектирования.

В результате, в данном блоке АГС будут содержаться проекты берегозащитных мероприятий, рекомендуемые к применению для каждого фрагмента литодинамической системы.

Наличие эталонных проектов не означает, что в рамках данного фрагмента должны применяться только такие методы берегозащиты. Но отклонение от рекомендованных мероприятий должно быть убедительно обосновано.

Обеспечение Автоматизированной генеральной схемы

Функционирование АГС основано на компонентах методического, информационного, технического, организационного и программного обеспечения (рис. 4).

Применительно к системе эти компоненты определяются следующим образом.

Методическое обеспечение состоит из трех основных частей:

1. Теория, методы прогнозирования и управления морскими бере­говыми процессами, изложенные в монографиях, учебниках, трудах различных научно-исследовательских и проектных организаций и т.п.;

2. Действующие нормативные документы (ГОСТ, СП, СН, ТУ и т.п.);

3. Алгоритмы, реализующие конкретные задачи в удобном для программирования виде.

В связи с непрерывным совершенствованием методов прогнозирова­ния и управления природными процессами, методическое обеспечение АГС будет непрерывно изменяться, и совершенствоваться по мере развития научно-технического прогресса.

Информационное обеспечение АГС состоит из двух основных частей:

1. Документы, содержащие описание стандартных процедур прогно­зирования и управления береговыми процессами.

2. Результаты работы изыскательских и научно-исследовательских организаций на побережье, обеспечивающих сбор исходной информации о берегах и береговых процессах. В перспективе должна быть разработана и адаптирована на побережье автоматизированная система сбора информации.

Компонентами технического обеспечения АГС являются устройства вычислительной и организационной техники (ЭВМ, принтеры, плотте­ры, сканеры, дигитайзеры и т.п.), а также их сочетания.

Компонентами организационного обеспечения являются методичес­кие и руководящие материалы, положения, инструкции, штатные рас­писания, квалификационные требования и другие документы, обеспе­чивающие взаимодействие научно-исследовательских и эксплуатацион­ных предприятий при создании, эксплуатации и развитии системы.

Программное обеспечение АГС состоит из двух основных частей:

1. Общесистемное программное обеспечение, предназначенное для функционирования технических средств. Этот вид программного обес­печения создается для многих приложений, и никак не учитывает спе­цифику конкретных объектно-ориентированных систем, и потому тре­бует лишь определенной адаптации в рамках АГС.

2. Прикладное (специальное) программное обеспечение представ­ляет собой совокупность Программных комплексов (ПК) для ре­шения определенных прогностических задач, а также программ подго­товки (переподготовки) или согласования данных.

Следует подчеркнуть, что в АГС ученый или инженер яв­ляется основным звеном, на плечи которого ложатся определяющие функции процесса прогнозирования и принятия принципиальных управленческих решений. Это выбор исходных параметров для изучаемого объ­екта; анализ, контроль и подготовка исходной информации; принятие решений о составе и последовательности работ; выбор методов реше­ния тех или иных задач, что требует от пользователя достаточно глубоких теоретических познаний; формулирование принципиальных вариантов управленческих решений, которые подлежат последующей детальной проработке; оценка результатов прогнозирования и приня­тие решений о завершении или продолжении рабочего процесса.

Общение пользователя системы непосредственно с ЭВМ производится с использованием специального интеллектуального интерфейса, который представляет собой программную среду, позволяющую работать с АГС пользователям без посредничества системных или прикладных программистов.

Организация разработки генеральной схемы

Для разработки АГС Азовского моря должна быть создана проектная группа в следующем составе:

1. Головная проектная организация. Она должна иметь опыт разработки и успешной реализации проектов берегозащитных мероприятий.

2. Для научно-технического сопровождения разработки привлекается научно-исследовательская организация, имеющая опыт научного обоснования проектов берегозащиты.

3. Выделение литодинамических систем и их фрагментов целесообразно поручить организации, имеющей специализацию в области литодинамики, физической географии, геоморфологии.

4. Для выполнения комплекса изыскательских работ должна быть привлечена специализированная организация, имеющая необходимое техническое обеспечение и опыт изыскательских работ на морских побережьях.

5. Также специализированную организацию следует привлечь для экологического обоснования разработки АГС.

6. Для разработки программного обеспечения АГС необходимо создать группу системных и прикладных программистов. Эта группа разрабатывает новые программные средства и адаптирует существующие к требованиям разрабатываемой автоматизированной системы.

Приведенный состав проектной группы может уточняться по мере разработки АГС.

Выводы

По изложенным предложениям для разработки генеральной схемы берегозащитных мероприятий для побережья Азовского моря могут быть сделаны следующие выводы:

1. Берега Азовского моря нуждаются в проведении комплексных берегоукрепительных мероприятий на современном научном и техническом уровне.

2. Проектирование берегозащитных мероприятий должно осуществляться на основе генеральной схемы по данному региону, подтверждающей их технико-экономическую целесообразность и удовлетворяющую природоохранным и экологическим требованиям.

3. Разрабатываемая на современном уровне генеральная схема берегозащитных мероприятий должна представлять собой автоматизированную систему, имеющую необходимую структуру и состав.

4. Разработка генеральной схемы берегозащитных мероприятий представляет собой сложную научно-техническую задачу, требующую привлечения как ученых (географов, геоморфологов, океанологов, геологов, экологов, гидротехников), так и специалистов по проектированию морских гидротехнических сооружений, системных и прикладных программистов.

5. На первом этапе разработки, все побережье Азовского моря должно быть разделено на литодинамические системы. Внутри этих систем предлагается выделить прямоугольные фрагменты, которые должны перекрывать друг друга примерно на 20%.

6. В рамках фрагментов на основе собст­венных прямоугольных координатных ­систем создаются цифровые модели мест­ности (ЦММ). Точки начала координат каждого фрагмента определяются в рамках единой системы координат (прямоугольных геодезических координат). Кроме того, задаются азимуты (дирекционные углы) осей ОХ каждого фрагмента. Таким образом, для любой точки сети любого фрагмента могут быть определены общие координаты.

7. Автоматизированная генеральная схема состоит из следующих основных частей: база данных, прогностическая система, проектный блок, интеллектуальный интерфейс, который объединяет все части системы и создает комфортную среду для пользователей. Состав указанных блоков приведен в соответствующем разделе статьи.

8. Функционирование генеральной схемы основано на компонентах методического, информационного, технического, организационного и программного обеспечения.

9. Для разработки генеральной схемы должна быть создана проектная группа в следующем составе: головная проектная организация; научно-исследовательская организация; организация, имеющая специализацию в области литодинамики, физической географии, геоморфологии; специализированная организация, имеющая необходимое техническое обеспечение и опыт изыскательских работ на морских побережьях; специализированная организация для экологического обоснования разработки генеральной схемы; группа системных и прикладных программистов.

Библиографический список

1. Косьян Р.Д., Крыленко М.В. Комплексная характеристика современного состояния берегов Азовского моря в пределах Краснодарского края. Web-портал проекта Coastal Russian Network Activity. www. coruna.coastdyn.ru/theme/azov.pdf.
2. Косьян Р.Д., Крыленко М.В. Научное обеспечение сбалансированного планирования хозяйственной деятельности на уникальных морских береговых ландшафтах Азово-Черноморского побережья. XII Общероссийский форум лидеров стратегического планирования. At: Санкт-Петербург. Россия. 2013.
3. Косьян Р.Д., Крыленко М.В. Комплексная характеристика современного состояния берегов Азовского моря в пределах Краснодарского Края. Экосистемные исследования Азовского, Черного, Каспийского морей и их побережий. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН. 2007. Т. IX. 315 с.
4. Матишов Г.Г., Степаньян О.В., Харьковский В.М., Сойер В.Г. Современные данные по загрязнению Азовского и Чёрного морей углеводородами нефти. Вестник Южного научного центра. 2014. Т. 10. №4. С. 49–52.
5. Современные опасные экзогенные процессы в береговой зоне Азовского моря. Монография / [Г. Г. Матишов и др.]. ред. Л. А. Беспалова. Минобрнауки России. Федеральное гос. автономное образовательное учреждение высш. образования «Южный федеральный ун-т», Ин-т наук о Земле. Ростов-на-Дону. Южный федеральный ун-т, 2015.
6. СП 277.1325800.2016. Сооружения морские берегозащитные. Правила проектирования. М. Минстрой РФ. 2016.