Probability assessment of the Kyiv reservoir overflow
DOI:
https://doi.org/10.32347/2411-4049.2021.4.73-99Ключові слова:
щорічна ймовірність перевищення, метод дерева відмов та несправностей, паводки, прогнозування, нечітке моделювання, гідрологічна безпека, переповнення Київського водосховищаАнотація
Водосховища є невід’ємною частиною світової гідротехнічної інфраструктури і формують основу сучасного управління водними ресурсами в більшості країн. Однак водосховища також є джерелами потенційної небезпеки для навколишнього середовища, інфраструктури та населення, особливо в нижніх б’єфах великих гребель. Потенційна небезпека та ризики для населення, що проживає поблизу водосховищ, особливо нижче за течією, можуть бути не меншими, ніж для людей, які проживають поблизу ядерних установок або хімічних підприємств, з чим експерти та громадськість зазвичай пов’язують проблеми техногенної безпеки. Причому, статистика показує, що близько третини всіх аварій на греблях і дамбах сталося через переповнення водосховищ, коли рівень води у верхньому б’єфі перевищував проектні або допустимі значення.
В Україні налічується 1103 водосховища загальним об’ємом води близько 55 500 млн м3. Київське водосховище – третє за обсягом та площею поверхні води в країні. Крім того, це водосховище утворюється однією з найдовших гребель у світі. Загальна довжина гідротехнічних споруд Київського водосховища сягає 70 км.
Загальновизнано, що неконтрольоване переповнення водосховища може викликатися надзвичайним паводком з параметрами припливу, що перевищують пропускну здатність гідротехнічних споруд. Проблемою є те, що пропускна здатність гідротехнічних споруд може бути недостатньою як через неточність гідрологічного прогнозу, так і через несправності, погане функціонування або відмови гідроспоруд під час проектного паводку. Зокрема, довгострокові прогнози максимальних витрат паводкових вод Дніпра в створі Київського водосховища на основі використання різних функцій розподілу ймовірностей показують істотну розбіжність їх результатів. Також, як показує практика, неготовність деяких водопропускних трактів Київського водосховища може досягати кількох місяців на рік. Іноді ремонтні роботи на цих спорудах проводилися навіть під час паводків.
Метою дослідження було ймовірнісне прогнозування надзвичайної ситуації на Київському водосховищі внаслідок його неконтрольованого переповнення внаслідок можливої неточності гідрологічного прогнозу щодо фактичного притоку води у водойму та через відмови водопропускних споруд під час паводку.
Для досягнення мети були вирішені наступні завдання: (1) запропоновано метод гідрологічного прогнозування, який дозволяє враховувати результати довгострокових прогнозів максимальних витрат паводкових вод на основі використання різних функцій розподілу ймовірностей та нечіткого моделювання; (2) проведено гідрологічне прогнозування максимальних витрат Дніпра, що впливають на стан Київського водосховища, на основі фактичних даних, зібраних на гідрологічному посту «Вишгород»; (3) оцінено ймовірність переповнення Київського водосховища з урахуванням можливості виникнення дефіциту пропускної здатності гідротехнічних споруд з використанням методу дерева відмов та несправностей. Всього було розглянуто шість несумісних гіпотетичних надзвичайних ситуацій на Київському водосховищі. Розрахунки показали, що ймовірність переповнення Київського водосховища не перевищує 3,84*10–4 (рік–1), що є прийнятним в контексті гарантування гідрологічної безпеки інфраструктури та населення.
Посилання
Valuing Water. The United Nations World Water Development Report 2021. UNESCO. Paris, France. Available from https://www.unwater.org/publications/un-world-water-development-report-2021/.
Tadda, M.A., Ahsan, A., Imteaz, M., Shitu, A., Danhassan, U.A., and Muhammad, A.I. (2020). Operation and Maintenance of Hydraulic Structures. Hydraulic Structures – Theory and Applications. IntechOpen; DOI: https://www.doi.org/10.5772/intechopen.91949. Available from https://www.intechopen.com/chapters/72208.
Muller, M., Biswas, A., Martin-Hurtado, R. and Tortajada, C. (2015). Built infrastructure is essential. Science, Vol. 349, No. 6248, 585–586; DOI: https://www.doi.org/10.1126/science.aac7606.
Ukraine. Water resources. FAO of the UN. Available from http://www.fao.org/NR/water/aquastat/countries_regions/Profile_segments/UKR-WR_eng.stm.
Khilchevskyi, V., Grebin, V., Zabokrytska, M., Zhovnir, V., Bolbot, H. & Plichko, L. (2020). Hydrographic characteristic of ponds distribution in Ukraine – Basin and regional features. Journal of Water and Land Development. No. 46 (VII–IX), 140–145; DOI: https://www.doi.org/10.24425/jwld.2020.134206.
World Commission on Dams. (2000). Dams and Development: A New Framework for Decision-Making. An Overview. Earthscan Publications Ltd, London, UK, 40 p. Available from https://www.rivernet.org/general/wcd/wcd_overview_english.pdf.
Saxena, K.R., and Sharma, V.M. (2005). Dams: Incidents and Accidents. A.A. BALKEMA PUBLISHERS. Leiden. London. New York. Philadelphia. Singapore, 228 p.
Costa, J.E. (1985). Floods from Dam Failures. U.S. Geological Survey Open-File Report 85-560, Denver, Colorado, 54 p.
Fread, D.L. (1996). Dam-Breach Floods. In: Singh, V.P. (eds). Hydrology of Disasters. Water Science and Technology Library, Vol. 24. Springer, Dordrecht; DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-015-8680-1_5.
Pierce, M.W., Thornton, C.I., and Abt, S.R. (2010). Predicting Peak Outflow from Breached Embankment Dams. J. Hydrology Eng, 15, 338–349.
Stefanyshyn, D.V. (2011). Forecasting accidents on dams in the tasks of assessment and ensuring their reliability and safety. Hydropower of Ukraine, № 3–4, 52-60. (in Ukrainian).
Dams Sector. Estimating Loss of Life for Dam Failure Scenarios. (2011). Homeland Security, 94 p. Available from https://damsafety.org/sites/default/files/files/DamsSectorConsequenceEstimation_LossOfLife.pdf.
Bellendir, E.N., Stefanyshyn, D.V., Filippova, E.A. (2012). Failure risk assessment and its role in safety management at the design. Proc. International Commission on Large Dams (ICOLD), 24th Congress, Q. 93, R.5, Kyoto: Japan, 68–84.
Aureli, F., Maranzoni, A., Petaccia, G. (2021). Review of Historical Dam-Break Events and Laboratory Tests on Real Topography for the Validation of Numerical Models. Water, 13, 1968; DOI: https://doi.org/10.3390/w13141968.
Veksler, A.B., Ivashintsov, D.A., and Stefanishin, D.V. (2002). Reliability, social and environmental safety of hydraulic structures: risk assessment and decision making. St. Petersburg: VNIIG B.E. Vedeneeva, 591 p. (in Russian).
Lessons from historical dam incidents. Project: SC080046/R1. Environment Agency, Horizon House, Bristol, 160 p. Available from https://assets.publishing.service.gov.uk/media/603369e7e90e07660cc43890/_Lessons_from_Historical_Dam_Incidents_Technical_Report.pdf.
Stefanishin D.V. (2008). Breakdown forecast of the designing and constructing dams using the statistical analysis results of the previous breakdowns. Izvestiya B.E. Vedeneev VNIIG, V. 251, 3–9. (in Russian).
Toledo, M.Á., Morán, R., and Oñate, E. (Eds.).(2015). Dam Protections against Overtopping and Accidental Leakage (1st ed.). CRC Press, London, 328 p.; DOI: https://doi.org/10.1201/b18292.
Zhang, L.M., Xu, Y. and Jia, J.S. (2009). Analysis of earth dam failures: A database approach. Georisk: Assessment and Management of Risk for Engineered Systems and Geohazards, 3:3, 184–189; DOI: https://doi.org/10.1080/17499510902831759.
Ukrhydroenergo. Kyiv HPP. Available from https://uhe.gov.ua/filiyi/filiya_kaskad_kyyivskykh_hes_i_haes/kyyivska_hes (in Ukrainian).
River basin management plan for the Upper Dnieper pilot basin of Ukraine. (2015). Draft. Contract No. 2011/279-666. Prepared by UNENGO “MAMA-86”. Kyiv, 115 p. Available from http://blacksea-riverbasins.net/sites/default/files/RBMP_Upper%20Dnieper_UA_EN_final_1.pdf.
Shevchuk, S.A., Vishnevsky, V.I., Shevchenko, I.A., and Kozytsky, O.M. (2019). Research of water objects of Ukraine using the data of remote sensing of the Earth. Land reclamation and water management, No 2, 146–156; DOI: https://doi.org/rn.3rn73/mivg201902-198. (in Ukrainian).
Obodovskiy, O.G., Mechkin, K.R. (2018). The Dnieper Cascade as part of International Waterway E40. Geog. and tourism, Vol. 6, No. 1, 69–75; DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.1314030.
Zheleznyak, M., Blaylock, G., Gontier, G., and Konoplev, A. (1995). Modeling of radionuclide transfer in rivers and reservoirs: validation study whithin the IAEACEC VAMP Programme. International Symposium on Environmental Impact of Radioactive Releases, IAEA, Vol. 8, Vienna, 330–331.
Kivva, S., Zheleznyak, M., Bezhenar, R., Pylypenko, O., Sorokin, M., and al. (2021). Modeling of major environmental risks for the Kyiv city, Ukraine from the Dnieper river waters – inundation of coastal areas and contamination by the radionuclides deposited in bottom sediments after the Chornobyl accident, EGU General Assembly 2021, online, 19–30 Apr., EGU21-13038, DOI: https://doi.org/10.5194/egusphere-egu21-13038, 2021.
Jacyk, A.V., Yakovlev, Ye.O., Osadchuk, V.O. (2002). On the question of the descent of the Kyiv reservoir. Kyiv, Oriiany, 52 p. (in Ukrainian).
Wieland, M., Mueller, R. (2009). Dam safety, emergency actions plans and water alarm systems. International Water Power & Dam Construction. January, 34–38.
Rogers, J.D. (2002). Dams and disasters: a brief overview of dam building triumphs and tragedies in California’s past. Berkeley, University of California, 158 p. Available from https://web.mst.edu/~rogersda/dams_of_ca/Dams-of-California-Presentation-2012.pdf.
Serra-Llobet, A., Tàbara, J.D., and Sauri, D. (2013). The Tous dam disaster of 1982 and the origins of integrated flood risk management in Spain. Nat Hazards 65, 1981–1998; DOI: https://doi.org/10.1007/s11069-012-0458-0.
Taum Sauk Pumped Storage Project (No. P-2277). (2006). Dam Breach Incident. Incident Description. FERC Staff Report. Available from http://www.ferc.gov/industries/hydropower/safety/projects/taum-sauk/staff-rpt.asp.
Stefanishin, D.V., Romanchuk, E.G. (2011). Probabilistic modeling of hypothetical scenarios of two atypical accidents at hydropower facilities in case of automation failures. Prevention of accidents of buildings and structures. Available from https://pamag.ru/src/vmgs-heo/vmgs-heo.pdf. (in Russian).
Potashnik, S.I. (1986). Cascade of Sredne Dnieper HPPs: Development and Operation Experience. Moscow, Energoatomizdat, 144 p. (in Russian).
Independent forensic team report Oroville dam spillway incident. (2018), 584 p. Available from https://damsafety.org/sites/default/files/files/Independent%20Forensic%20Team%20Report%20Final%2001-05-18.pdf.
Koskinas, A., Tegos, A., Tsira, P., Dimitriadis, P., Iliopoulou, T., Papanicolaou, P., Koutsoyiannis, D., and Williamson, T. (2019). Insights into the Oroville Dam 2017 Spillway Incident. Geosciences, 9, 37; DOI: https://doi.org/10.3390/geosciences9010037.
Salmon, G.M., and Hartford, D.N.D. (1995). Risk analysis for dam safety. Part I, II. Int. Water Power and Dam Construction. March, 42–47.
Lagerholm, S. (1996). Safety and reliability of spillway gates. Repair and upgrading of dams Symposium, Stockholm, 362–373.
Johansen, P.M., Vick, S.G., and Rikartsen, C. (1997). Risk analyses of three Norwegian rockfill dams. Hydropower’97, Balkema Rotterdam, 431–442.
Lecornu, J. (1998). Dam Safety: from the Engineer’s Duty to Risk Management. The International Journal on Hydropower & Dams, Vol. 5, 43–56.
Stefanyshyn, D.V. (2008). Assessment of accident risks to support safety of the Boureya dam. Proc. of Int. Scientific School “Modelling and Analysis of Safety and Risk in Complex Systems”, Saint-Petersburg, 377–382.
Romanchuk, K.G., and Stefanyshyn, D.V. (2015). Probabilistic predicting of the emergencies on waterworks due to failures of spillway capacity of weirs. Environmental safety and natural resources, № 4 (20), 70–79. (in Ukrainian).
Stefanyshyn, D., Benatov, D. Application of a logical-probabilistic method of failure and fault trees for predicting emergency situations at pressure hydraulic facilities (The case of Kakhovka hydroelectric complex). (2020). Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4/2 (106), 55–69. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208467.
Blöschl, G., Bierkens, M.F.P., Chambel, A., Cudennec, Ch., Destouni, G., Fiori, A., Kirchner, J.W., McDonnell, J. J., Savenije, H. H.G., Sivapalan, M., Stumpp, Ch., Toth, E., Volpi, E., and al. (2019) Twenty-three unsolved problems in hydrology (UPH) – a community perspective. Hydrological Sciences Journal, 64:10, 1141-1158; DOI: https://doi.org/10.1080/02626667.2019.1620507.
Tarasova, L., Merzl, R., Kiss, A., Basso, S., Blöschl, G., Merz, B., Alberto Viglione, A., Plötner, S., and al. (2019). Causative classification of river flood events. WIREs Water published by Wiley Periodicals, Inc., 23 p; DOI: https://doi.org/10.1002/wat2.1353.
Chow, Y.T., Maidment, D.R., and Mays, L.W. (1988). Applied Hydrology. McGraw-Hill Book Company, 294 p.
Handbook of Engineering Hydrology. Fundamentals and Applications. (2014). Edited by Saeid Eslamian. Taylor & Francis Group, LLC, 624 p.
Flood flow frequency. (1982). Guidelines for determining. Bull. #17B of the Hydrology Subcommitee. U.S. Department of the Interior, Reston, Virginia, 194 p.
Extreme Hydrological Events: New Concepts for Security (NATO Science Series: IV: Earth and Environmental Sciences). (2007). Paperback: Editors: O. F. Vasiliev, P. H. A. J. M. van Gelder, E. J. Plate, M. V. Bolgov. Springer; 1 edition, 480 p. Available from https://link.springer.com/book/10.1007%2F978-1-4020-5741-0.
Koutsoyiannis, D. (2008). Probability and statistics for geophysical processes. National Tech. University of Athens. Available from https://www.itia.ntua.gr/en/docinfo/1322/.
Apel, H., Merz, B., and Thieken, A.H. (2008). Quantification of uncertainties in flood risk assessments. International Journal of River Basin Management, 6, 2, 149–162.
Review of Applied European Flood Frequency Analysis Methods. (2012). Editors: Castellarin, A., Kohnová, S., Gaál, L., Fleig, A., Salinas, J.L., Toumazis, A., and al. Centre for Ecology & Hydrology, 130 p. Available from https://www.academia.edu/2172432/Review_of_applied-statistical_methods_for_flood-frequency_analysis_in_Europe.
Madsen, H., Lawrence, D., Lang, M., Martinkova, M., and Kjeldsen, T.R. (2012). A Review of Applied Methods in Europe for Flood Frequency Analysis in a Changing Environment. [Research Report] irstea, 189 p. Available from https://hal.inrae.fr/hal-02597863/document.
Hrachowitz, M., and P. Clark, M. (2017). HESS Opinions: The complementary merits of competing modelling philosophies in hydrology. Hydrol. Earth Syst. Sci., 21, 3953–3973; DOI: https://doi.org/10.5194/hess-21-3953-2017
Stefanyshyn, D.V. (2018). On the use of the type I Gumbel distribution to assess risks given floods. Mathematical modeling in economy, №1, 74–83.
Korbutiak, V., Stefanyshyn, D., Lahodniuk, O., and Lahodniuk, A. (2020). The combined approach to solving issues of the flood hazard assessment using water gauge records and spatial data. Acta Sci. Pol. Architectura 19 (1), 111–118; DOI: https://doi.org/10.22630/ASPA.2020.19.1.12.
DBN B.2.4-3: 2010. (2010). Hydrotechnical, energy and reclamation systems and structures, underground mining. Substantive provisions, Kyiv, 37 p. (in Ukrainian).
Andres, M. (2000). Design flood definition and reservoir characteristics. Seasonal flood storage influence. The use of risk analysis to support dam safety decisions and management. Trans. of the 20-th Int. Congress on Large Dams, Vol. 1, Q. 76, R.26, Beijing-China, 387–403.
Loukola, E., and Maijala, T. (1998). New dam safety guidelines in Finland. In L. Berga (ed.), Dam Safety; Proc. Intern. Symp., Barcelona, 17-19 June, Rotterdam, Balkema.
Small dams. Guidelines for design, construction and monitoring. (2002). Coordination by G. Degoutte. French Committee on Large Dams, 179 p. Available from https://www.barrages-cfbr.eu/IMG/pdf/pb2002-en.pdf.
Ren, M., He, X., Kan, G., Wang, F., Zhang, H., Li, H., Cao, D., Wang, H., Sun, D., Jiang, X., Wang, G., and Zhang, Z. (2017). A Comparison of Flood Control Standards for Reservoir Engineering for Different Countries. Water, 9, 152; DOI: https://doi.org/10.3390/w9030152.
Stefanyshyn, D.V. (2008). Application of risk analysis to support safety of dams and flooded territories against floods. Proc. of Int. Scientific School “Modelling and Analysis of Safety and Risk in Complex Systems”. June 24–28, Saint-Petersburg, Russia, 371–376.
Dnipro waterway Ukraine. (2016). Engineering evaluation report. Final, 175 p. Available from https://mtu.gov.ua/files/USACEreport.pdf.
Stefanyshyn, D.V., and Shtilman, V.B. (2012). Towards assessing the probability of water overflow across the dam crest. Magazine of Civil Engineering, № 9, 70–78; DOI: https://doi.org/10.5862/MCE.35.9. (in Russian).
Stefanyshyna-Gavryliuk, Yu.D., and Stefanyshyn, D.V. (2013). The use of fuzzy measure to overcome the uncertainty of long-term predictions based on extrapolations. System Research and Information Technologies, № 4, 99–110; Available at https://ela.kpi.ua/handle/123456789/7021. (in Ukrainian).
Zimmermann, H.-J. (2001). Fuzzy set Theory and its applications. Springer, 4-th edition, 544 p.
Nash, J.E., and Sutcliffe, J.V. (1970). River flow forecasting through conceptual models part I – A discussion of principles, J. Hydrol., 10 (3), 282–290.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2021 Dmytro V. Stefanyshyn
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Збірник «Екологічна безпека та природокористування» працює у рамках міжнародної ліцензії Creative Commons Attribution («із зазначенням авторства») 4.0 International (CC BY 4.0).
Ліцензійна політика журналу сумісна з переважною більшістю політик відкритого доступу та архівування матеріалів.
