СЦЕНАРНАЯ  ОЦЕНКА  БЕЗОПАСНОСТИ  ГАЗОПРОВОДОВ  ПРИ  ИЗМЕНЕНИИ  КЛИМАТА

Гайдукова  Екатерина  Владимировна

канд.  техн.  наук,  доцент 
Российского  государственного  гидрометеорологического  университета  (РГГМУ), 
РФ,  г.  Санкт-Петербург

E-mail:  oderiut@mail.ru

Судакова  Наталья  Валерьевна

аспирант, 
Российский  государственный  гидрометеорологический  университет  (РГГМУ), 
РФ,  г.  Санкт-Петербург

Бонгу  Сотима  Эрнесто

аспирант, 
Российский  государственный  гидрометеорологический  университет  (РГГМУ), 
РФ,  г.  Санкт-Петербург

SCENARIO  SAFETY  ASSESSMENT  PIPELINES  IN  CLIMATE  CHANGE

Ekaterina  Gaidukova

Ph.D.,  associate  professor 
of  Russian  State  Hydrometeorological  University  (RSHU), 
Russia,  St.  Petersburg

Natalya  Sudakova

graduate  student, 
Russian  State  Hydrometeorological  University  (RSHU),

Russia,  St.  Petersburg

Bongu  Sotima  Ernesto

graduate  student, 
Russian  State  Hydrometeorological  University  (RSHU),

Russia,  St.  Petersburg

Исследования  финансировались  Министерством  образования  и  науки  Российской  Федерации  в  рамках  проектов  №  14.B37.21.0678,  №  1413

АННОТАЦИЯ

В  статье  рассматривается  географическое  распределение  аномальных  зон  формирования  максимального  слоя  стока  весеннего  половодья  в  перспективе  климатических  изменений  в  речных  бассейнах  России,  пересекаемых  магистральными  газопроводами.  Для  выявления  аномалий  применяется  методология  оценки  гидрологических  последствий  изменения  климата,  основанная  на  использовании  уравнения  Фоккера-Планка-Колмогорова.

ABSTRACT

The  geographic  distribution  of  the  anomalous  zones  of  forming  maximum  runoff  in  the  long  term  climate  change  in  river  basins  of  Russia  with  the  pipelines  is  considered  in  the  article.  To  detect  anomalies  applied  assessment  methodology  of  hydrological  impacts  of  climate  change,  based  on  the  use  of  Fokker-Planck-Kolmogorov  equation.

Ключевые  слова:  the  maximum  runoff;  long-term  river  runoff;  climate  change;  assessment  of  the  impact  of  climate  change.

Ключевые  слова:  максимальный  сток;  многолетний  речной  сток;  изменение  климата;  оценка  последствий  изменения  климата.

Введение.  В  связи  с  происходящими  климатическими  изменениями  появляется  мотивация  к  изучению  их  последствий  для  экономики,  экологии  и  национального  хозяйства  России  в  целом.  В  этой  комплексной  проблеме  центральное  место  занимают  вопросы,  связанные  с  изменениями  географических  закономерностей  распределения  различных  видов  многолетнего  речного  стока  в  результате  реализации  тех  или  иных  климатических  сценариев.  Целью  данного  исследования  является  оценка  географического  распределения  аномальных  зон  формирования  максимального  слоя  стока  весеннего  половодья  в  перспективе  климатических  изменений  в  речных  бассейнах  России,  пересекаемых  магистральными  газопроводами. 

Добываемый  в  Российской  Федерации  газ  поступает  в  магистральные  газопроводы,  которые  объединены  в  Единую  систему  газоснабжения.  В  состав  этой  системы  входят  161,7  тыс.  км  магистральных  газопроводов  и  отводов,  215  линейных  компрессорных  станций,  6  комплексов  по  переработке  газа  и  газового  конденсата,  25  объектов  подземного  хранения  газа  [1].  Газопроводы  покрывают  практически  всю  Европейскую  и  юг  Азиатской  территории  России,  пересекая  водные  преграды,  относящиеся  к  различным  водосборам  (рис.  1).

Рисунок  1.  Единая  система  газоснабжения  России  [1]

Методика  оценки  долгосрочных  изменений  вероятностных  характеристик  максимального  стока.  На  кафедре  гидрофизики  и  гидропрогнозов  РГГМУ  была  разработана  методология  долгосрочной  оценки  гидрологических  последствий  изменения  климата  [2;  3].  В  ее  основе  лежит  уравнение  Фоккера–Планка–Колмогорова,  которое  аппроксимируется  системой  алгебраических  уравнений  для  начальных  моментов    (n  =  1,  2,  3,  4).  При  ряде  допущений  (см.  [3])  эта  система  сводится  к  следующему  виду:

  (1)

где:    —  параметр  обратный  коэффициенту  стока  k  и  времени  релаксации  речного  бассейна  ,  отражающий  свойства  подстилающей  поверхности  водосбора  (для  многолетнего  стока  t  =  1  год); 

m₁,  m₂  —  первый  и  второй  начальные  моменты,  зная  которые  можно  определить  норму  и  коэффициент  вариации  стока; 

  —  показатель  нормы  интенсивности  осадков  ; 

  —  интенсивность  внешнего  климатического  шума,  связанного  с  показателем  N.

Алгоритм  долгосрочной  оценки  сводится  к  следующим  действиям  (рис.  2):  в  начале  по  рядам  наблюдений  вычисляются  m_n,  затем  производится  параметризация  системы  уравнений  (1)  —  находится  численное  значение  параметра,  отвечающего  за  интенсивность  внешнего  климатического  шума.  Затем  параметры  системы  изменяются  за  счет  факторов  подстилающей  поверхности  ()  или/и  за  счет  климата  (_пр,  T_пр  —  прогнозные  значения  норм  осадков  и  температуры  воздуха).  Далее  производится  вычисление  новых  оценочных  моментов  m_n,  по  которым  определяются  прогнозные  гидрологические  характеристики  (норма,  коэффициенты  вариации  и  асимметрии),  зная  которые  можно  построить  прогнозные  кривые  обеспеченности  и  оценить  значения  расходов  любой  обеспеченности  (Q_P%).

Рисунок  2.  Алгоритм  долгосрочной  оценки  последствий  изменения  климата

Рассмотренную  методику  можно  применить  не  только  к  оценке  безопасности  магистральных  газопроводов  (в  газовой  промышленности),  но  и  в  таких  секторах  экономики  как  гидроэнергетика,  сельское  хозяйство,  строительное  проектирование,  мелиорация  [7]  и  рыбное  хозяйство.

Исходные  данные.  Для  речных  бассейнов  расположенных  на  территории  распространения  газопроводов  была  собрана  база  данных  по  максимальному  стоку  половодья.  В  исследовании  рассматривались  гидрологические  станции  наблюдений,  у  которых  площадь  водосбора  находится  в  пределах  от  1500  до  50  000  км²,  и  имеются  продолжительные  ряды  наблюдений  за  суммарным  слоем  стока  весеннего  половодья  за  период  до  1980  года,  именно  до  этого  года  информация  по  постам  распространена  и  является  общедоступной.  Кроме  того,  примерно  с  этого  года  начинаются  статистически  значимые  тренды  по  средним  показателям  стока,  связанные  предположительно  с  изменениями  климата  [5].  Всего  получилось  314  речных  бассейнов.

Гидрологические  ряды  были  статистически  обработаны:  проверены  на  однородность  по  критериям  Стьюдента  и  Фишера,  построены  разностно-интегральные  кривые  для  подтверждения  наличия  многоводных  и  маловодных  фаз  водности,  определены  погрешности  статистических  характеристик.

Информация  о  фактических  нормах  осадков  за  период  с  1931  по  1990  гг.  и  прогнозных  нормах  осадков  была  взята  с  сайта  http://www.ipcc-data.org  [6].  Данные  о  нормах  осадков  использованы  при  определении  коэффициентов  максимального  стока  k  по  аналогии  с  годовым  стоком  [4]. 

Выявление  аномальных  зон  формирования  максимального  стока.  С  использованием  климатических  сценариев  COMMIT,  SRA1B,  SRA2,  SRB1  (модель  HadCM3)  по  описанной  методике  были  рассчитаны  прогнозные  нормы  стока,  коэффициентов  вариации,  коэффициентов  асимметрии  на  период  с  2040  по  2069  год.  Три  из  четырех  климатических  сценария  (SRA1B,  SRA2,  SRB1)  относятся,  к  так  называемым,  «политическим»  сценариям,  учитывающим  различные  темпы  экономического  развития  и  роста  плотности  населения  наряду  с  учетом  концентрации  парниковых  газов  в  атмосфере.  Сценарий  COMMIT  подразумевает,  что  тенденция  изменения  концентрации  парниковых  газов  останется  на  уровне  XX  века.

С  практической  точки  зрения,  интересны  не  столько  прогнозные  значения  гидрологических  характеристик,  сколько  отклонение  прогнозных  значений  от  фактических.  По  таким  отклонениям  выявлены  и  нанесены  на  карты  аномальные  зоны  формирования  максимального  стока  (рис.  3).  Под  аномальными  зонами  понимается  совокупность  бассейнов,  в  которых  отклонение  прогнозных  от  фактических  норм  стока  превышает  15  %,  для  коэффициента  вариации  —  20  %.  Подобные  процентные  значения  связаны  с  погрешностями  определения  рассматриваемых  характеристик.  Следует  отметить,  что  при  прогнозах  были  взяты  постоянные  коэффициенты  стока,  т.  е.  предполагается,  что  в  будущем  климате  коэффициент  максимального  стока  останется  неизменным. 

Рисунок  3.  Распределение  зон  аномалий  норм  (а)  и  коэффициентов  вариации  (б)  максимального  стока  по  сценариям  COMMIT  (1),  SRA1B  (2),  SRA2  (3),  SRB1  (4)

На  рис.  3  видно,  что  норма  суммарного  слоя  стока  за  половодье  по  всем  сценариям  на  территории  Восточной  Сибири  увеличивается,  в  Западной  Сибири  уменьшается,  а  на  ЕТР  изменяется  незначительно,  по  сравнению  с  фактическими  значениями.  Разница  сценарных  норм  от  фактических  достигает  300  мм,  в  среднем  составляет  25  мм.  Прогнозные  значения  коэффициентов  вариации  по  всем  сценариям  в  Восточной  Сибири  уменьшаются,  в  Западной  Сибири  увеличиваются,  а  в  ЕТР  изменяются  незначительно.

Большая  часть  Восточной  Сибири  находится  в  аномальных  зонах  по  норме  по  всем  четырем  сценариям  (COMMIT,  SRA1B,  SRA2,  SRB1).  К  таким  зонам  относится  бассейны  верхних  течений  рек  Колыма,  Алдан,  Лена,  Амур,  Ангара,  Енисей  (отклонения  достигают  –140  %).  В  Западной  Сибири  к  аномальным  зонам  относятся  бассейн  реки  Тобол  и  бассейн  верхнего  течения  реки  Обь  (отклонения  достигают  50  %).  На  остальной  территории  Западной  Сибири  отклонения  прогнозных  норм  остаются  в  пределах  15  %.  Большая  часть  ЕТР  находится  в  благоприятных  зонах  по  норме  по  всем  сценариям.  По  сценариям  SRA1B,  SRA2,  SRB1  к  аномальным  зонам  относятся  бассейн  реки  Печора  и  несколько  небольших  одиночных  районов  в  бассейне  реки  Волга  (отклонения  достигают  –30  %).

На  территории  Восточной  Сибири  зоны  аномалий  по  коэффициенту  вариации  распространяются  на  бассейны  верхних  течений  рек  Колыма,  Алдан,  Лена,  Амур,  Ангара,  Енисей  (отклонения  достигают  60  %).  В  Западной  Сибири  к  зонам  аномалий  по  коэффициенту  вариации  относятся  бассейн  реки  Тобол  и  бассейн  верхнего  течения  реки  Обь  (отклонения  достигают  –100  %).  Для  ЕТР  самый  благоприятный  сценарий  COMMIT.  По  этому  сценарию  отклонения  прогнозных  коэффициентов  вариации  остаются  в  пределах  20  %.  По  сценариям  SRA1B,  SRA2,  SRB1  к  аномальным  зонам  по  коэффициенту  вариации  относится  бассейн  нижнего  течения  реки  Печора.

Выводы.  Выявлены  статистически  значимые  отклонения  сценарных  оценок  от  фактических  значений  вероятностных  характеристик  многолетнего  максимального  речного  стока  (аномальные  зоны)  в  перспективе  климатических  изменений  для  речных  бассейнов  России,  пересекаемых  магистральными  газопроводами.  В  аномальных  зонах  следует  ожидать  изменения  характеристик  стока,  которые  повлияют  на  характеристики  стока  наносов  и,  следовательно,  на  нагрузки  на  переходы  газопроводов  через  водные  преграды,  деформации  береговых  и  русловых  участков,  оголение  или  обнажение  подводных  газопроводов.

Список  литературы:

1. ГАЗПРОМ  //  ГАЗПРОМ.  —  2015.  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  http://www.gazprom.ru.  Свободный.  —  На  рус.  яз.
2. Коваленко  В.В.,  Викторова  Н.В.,  Гайдукова  Е.В.  Моделирование  гидрологических  процессов.  Изд.  2-е,  испр.  и  доп.  Учебник.  —  СПб.:  изд.  РГГМУ,  2006.  —  559  с.
3. Методические  рекомендации  по  оценке  обеспеченных  расходов  проектируемых  гидротехнических  сооружений  при  неустановившемся  климате.  /  Под  ред.  В.В.  Коваленко  —  СПб.:  изд.  РГГМУ,  2010.  —  50  с. 
4. Шевнина  Е.В.  Анализ  связи  норм  годовых  и  зимних  осадков  с  нормами  стока  весеннего  половодья  рек  Российской  Арктики  //  Ученые  записки  РГГМУ,  —  №  20,  —  2011.  —  С.  6—12.
5. Шевнина  Е.В.  Параметризация  модели  формирования  стока  весеннего  половодья  на  территории  Российской  Арктики  //  Ученые  записки  РГГМУ,  —  №  21,  —  2011.  —  С.  38—46. 
6. The  IPCC  Assessment  Reports  //  IPCC.  —  2009.  —  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа.  —  URL:  htpp//www.ipcc.ch.  Свободный.  —  На  англ.  яз.
7. Viktor  V.  Kovalenko  and  Ekaterina  V.  Gaidukova.  The  phenomenon  of  nonzero  norm  of  long-term  changes  in  the  total  water  supply  in  river  basins  //  American  Journal  of  Environmental  Sciences,  Volume  11,  Issue  2,  Pages  76—80,  2015.  —  DOI:  10.3844/ajessp.2015.76.80