Американские плотины.
Скрытый кризис на американских плотинах раскрыт из космоса.
В Соединенных Штатах более 16 700 плотин официально классифицируются как представляющие высокую потенциальную опасность, то есть их разрушение может привести к гибели людей. Более 2500 из этих сооружений находятся в плохом или неудовлетворительном состоянии.
Большинство из них были построены во время строительного бума 1950-х и 1960-х годов, поэтому средний возраст плотины составляет около 61 года. Эти стареющие сооружения сдерживают триллионы литров воды и играют важнейшую роль в гидроэнергетике, ирригации и защите от наводнений.
Геолог из Виргинского политехнического университета Мохаммад Хоррами заявил, что ограниченное финансирование делает невозможным одновременное решение всех рисков.
«Трудно решить проблему со всеми этими плотинами. Если вы не можете одновременно обеспечить финансирование всех из них, мы можем предоставить приоритетные плотины», — пояснил он.
Эта проблема побудила Хоррами и его коллег задаться вопросом, не начинают ли уже проявляться первые признаки разрушения под поверхностью существующих плотин. Традиционные методы инспекции в основном сосредоточены на видимых повреждениях, но они часто упускают из виду медленные структурные движения, происходящие глубоко внутри фундаментов, которые невозможно обнаружить невооруженным глазом.
Новые методы мониторинга на основе радаров позволяют ученым дистанционно обнаруживать эти невидимые изменения, предоставляя регулирующим органам инструмент для выявления наиболее серьезных угроз до того, как произойдет сбой.
Обнаружение невидимых движений с орбиты
Команда Вирджинского технологического университета использовала данные интерферометрической радиолокации с синтезированной апертурой (InSAR) со спутников Sentinel-1, эксплуатируемых Европейским космическим агентством. Эта технология измеряет деформацию земной поверхности с миллиметровой точностью путем сравнения радиолокационных отражений во времени.
Исследователи проанализировали данные за десятилетие, охватывающие крупные гидроэлектростанции высотой более 15 м (50 футов). Изучив перемещения поверхности плотин и окружающего рельефа на протяжении многих лет, они обнаружили постепенное проседание, которое может указывать на внутреннюю деградацию.
На плотине Роанок-Рапидс в Северной Каролине радиолокационные снимки выявили проседание северной стороны 22-метровой (72-футовой) конструкции. Характер проседания совпал с трещинами, задокументированными инспекторами, что подтвердило неравномерное проседание отдельных участков плотины.
Манучехр Ширзаи, соавтор исследования, предупредил, что результаты пока предварительные, но тревожные. «Нам необходимо провести дальнейший анализ, чтобы получить конкретный ответ. Некоторые из наблюдений могут указывать на то, что эти объекты инфраструктуры подвергаются внутренней деградации», — сказал он.
Такое проседание может показаться незначительным, но со временем оно может деформировать бетонный корпус или ослабить фундамент. В сочетании с интенсивными осадками или резким снижением уровня воды в водохранилищах последствия могут быть катастрофическими.
Совместное сопоставление рисков и уязвимостей
На следующем этапе исследования данные радара интегрируются с более широким набором социальных и структурных показателей. Объединив данные о деформации плотин с данными переписи населения США, Национальным индексом риска FEMA и зонами затопления, исследователи создали карту, показывающую, где разрушение конструкций совпадает с уязвимостью населения.
Предварительные результаты показывают, что многие подверженные риску плотины расположены в пределах от 10 км до 50 км от населенных пунктов с ограниченными ресурсами или устаревшими планами действий в чрезвычайных ситуациях. В этих районах часто отсутствует страхование от наводнений, пути эвакуации или средства для поддержания местных защитных сооружений.
Хоррами отметил, что неэффективное управление является причиной почти половины рисков, связанных с плотинами. «Почти 40-50 процентов этих рисков находятся в наших руках», — сказал он, указав на техническое обслуживание и надзор как на наиболее эффективные меры профилактики.
В исследовании определены, каким плотинам следует отдать приоритет при выделении федеральных и государственных средств на их реабилитацию. Также подчеркивается неравномерность распределения рисков, связанных с разрушением плотин, которые непропорционально сильно затрагивают сельские и малообеспеченные общины.
Объединив технические и социальные данные, команда Вирджинского технологического университета создает первую комплексную картину уязвимости плотин в масштабах всей страны — как структурной, так и антропогенной.
Стареющая инфраструктура в условиях климатического стресса
Плотины, построенные с учетом климата XX века, теперь работают в новых экстремальных условиях. Более теплый воздух удерживает больше влаги, что приводит к интенсивным ливневым осадкам, которые быстрее и сильнее наполняют водохранилища, чем они рассчитаны выдерживать.
Каждый скачок давления оказывает дополнительное давление на бетонные стены и земляные насыпи. Повторяющиеся нагрузки и разгрузки могут вызывать эрозию материалов под плотиной, усугубляя небольшие слабые места, которые в противном случае оставались бы стабильными.
Инженеры 1960-х годов не могли предсказать сегодняшнюю интенсивность осадков. По мере усиления штормов все больше водохранилищ приближаются к точке перелива, когда приток превышает безопасную пропускную способность.
Такое сочетание устаревания конструкций и нагрузок, вызванных изменением климата, превратило вопрос безопасности плотин не просто в инженерную проблему, а в задачу обеспечения устойчивости на национальном уровне.
Дистанционное зондирование в настоящее время заполняет критически важный пробел, обеспечивая непрерывный мониторинг, недоступный для полевых инспекций. Спутник Sentinel-1 проходит через систему каждые несколько дней, а это значит, что система раннего предупреждения может стать рутинной, а не реактивной.
Предотвращение следующей катастрофы
В последние десятилетия в Соединенных Штатах не было крупных катастрофических разрушений плотин, но риск сохраняется. В результате обрушения плотины Тетон в Айдахо в 1976 году погибли 11 человек, а ущерб составил около 2 миллиардов долларов США. Если бы подобное событие произошло сегодня вблизи населенного пункта, потери были бы в разы выше.
Крупные гидроэлектростанции также играют ключевую роль в энерго- и водоснабжении. Ширзаи пояснил, что некоторые из этих сооружений служат буферами для орошения и производства электроэнергии. Их выход из строя может вызвать цепную реакцию в сельском хозяйстве и энергосистеме.
Цель команды Хоррами — предотвратить подобные последствия путем создания национальной интерактивной базы данных о состоянии плотин, постоянно обновляемой данными радаров и полевыми данными. Эта система будет общедоступной и будет использоваться специалистами по планированию действий в чрезвычайных ситуациях и инженерами для определения приоритетных ремонтных работ.
Сосредоточившись на профилактике, исследователи надеются снизить вероятность внезапных, каскадных катастроф. Их подход также демонстрирует, как спутники наблюдения за Землей могут отслеживать не только природные опасности, но и состояние инфраструктуры, которая их предотвращает.
В долгосрочной перспективе эта концепция может выйти за рамки плотин и включить в себя дамбы, мосты и городские противопаводковые сооружения, создав таким образом всеобъемлющую сеть устойчивости к изменению климата.
Многие плотины в США старые, и некоторые из них медленно опускаются. Используя радар Sentinel-1, ученые из Виргинского политехнического университета разработали метод мониторинга движения конструкций из космоса. Они обнаружили, что несколько плотин, представляющих высокий риск, расположены вблизи уязвимых населенных пунктов и не имеют современных планов действий в чрезвычайных ситуациях. Выявляя эти слабые места на ранней стадии, власти могут сосредоточить ограниченные средства там, где это позволит спасти больше всего жизней.
Автор публикации
