Обеспечение гидрометеорологической безопасности освоения и разработки месторождений включает два основных этапа. Первое – это сбор и обобщение гидрометеорологической информации, необходимой для обоснования инвестиций и проектирования сооружений путем проведения инженерных гидрометеорологических изысканий. Второе – это специализированное гидрометеорологическое обеспечение работы морских сооружений (платформ, терминалов и т.п.), включая транспортные операции.
Инженерные ледовые изыскания
Надежное определение параметров окружающей среды является основой проектных решений, которые минимизируют природные риски и во многих случаях сводят их практически к нулю. Подготовка необходимых данных включает обобщение и анализ исторических архивов наблюдений, производство инженерно-изыскательских работ, физическое, гидродинамическое и вероятностное моделирование процессов, разработку и создание нормативных документов для проектирования, основной из которых – Временные локальные технические условия (ВЛТУ) по природному блоку.
Более чем пятнадцатилетний опыт проведения ААНИИ регулярных гидрометеорологических и ледовых инженерных изысканий позволил существенно развить их методы, технические средства, сформировать технологию проведения таких работ и подготовки необходимых нормативных документов. За это время выполнено несколько десятков экспедиций в Баренцевом, Карском, Охотском, Балтийском, Азовском и Каспийском морях в рамках реализации шельфовых проектов крупнейших российских и зарубежных энергетических компаний. Были разработаны ВЛТУ по морскому льду для таких крупных проектов как Штокмановское ГКМ, Приразломное НМ, Корчагинское и др.
Стамуха в Печорском море
Для проведения зимних инженерных гидрометеорологических изысканий использовались различные морские (атомные и дизельные ледоколы, научно-экспедиционные и транспортные суда) и воздушные (самолеты, вертолеты) суда. Изыскания направлены, прежде всего, на определение прочностных параметров ледовых образований, их размеров и массы и скорости движения.
Традиционным способом определения прочностных свойств льда является испытание малых образцов льда, отобранных из ледяного покрова.
По мнению отечественных и зарубежных специалистов, одним из наиболее перспективных типов натурных экспериментов является измерение глобальных нагрузок на судно и последующий пересчет полученных результатов на сооружение. Натурные эксперименты по исследованию глобальных нагрузок за рубежом проводили только ученые из Канадского гидравлического центра, измерялись ускорение и угловые скорости судов при взаимодействии с двухлетним льдом и обломками айсбергов.
В нашей стране единственные эксперименты такого рода были проведены ААНИИ в 2008 г. в ходе выполнения экспедиционных работ по проекту Штокмановского ГКМ на борту ледокола «Капитан Николаев» исследовалось взаимодействие корпуса судна со льдом, торосистыми образованиями и обломками айсбергов. Серьезным отличием от методологии, разработанной и используемой в Канадском гидравлическом центре, явилось применение двух измерительных систем – инерциальной (измеряющей изменение кинематических параметров движения ледокола) и тензометрической (с помощью которой измерялись напряжения в корпусных конструкциях при общем изгибе ледокола вследствие взаимодействия с ледяным образованием). Совпадение результатов измерений двух систем стало подтверждением надежности полученных данных.
Айсберг-гигант весом 3,7 млн тонн в районе Штокмановского месторождения (Баренцево море, 2003 г.)
Торосистые нагромождения образуются в дрейфующих льдах и припае. Размер килей гряд торосов на дрейфующих льдах шельфа российских замерзающих морей находится в диапазоне от 3 до 25 м. Геометрия надводной части отдельного тороса или стамухи определяется с помощью простых теодолитных съемок, с использованием аэрофотосъемки и лазерного профилирования. Последние два метода позволяют получить пространственно распределенные данные, необходимые для расчета статистик и таких характеристик, как торосистость, протяженность гряд торосов и т.п.
Нижняя часть торосов, их осадка, килевая часть измеряются с помощью обратных доплеровских сонаров, которые устанавливаются на дне на продолжительный период (год и более), а также с помощью подводных видеосъемок.
Для получения информации о внутреннем строении ледяных образований обычно используется тепловое бурение, при котором для эффективного и быстрого получения глубоких скважин используется горячая вода.
Обнаружение айсбергов в дрейфующем льду является очень непростой задачей космических наблюдений
За последние 15 лет были получены обширные натурные данные о распределении общей толщины стамух, высоте паруса, глубине киля, о слоях льда различного типа, пустотах, границах консолидированного слоя, глубине внедрения стамух в дно для различных моей Российской Федерации.
Для получения данных о скорости движения льдов применяются дрейфующие буи, которые устанавливаются на ледяных поля и айсбергах. Используются различные навигационные системы, такие как ARGOS. Количество буёв определяется особенностями ледовых условий и составляет от нескольких единиц до нескольких десятков, как, например, в 2007-2008 гг. в Баренцевом море для определения динамики льдов и айсбергов для Штокмановского ГКМ. Очень ценную информацию дают долговременные наблюдения (год и более) в точке с помощью обратных доплеровских сонаров, особенно для определения максимально возможных скоростей дрейфа. Такие наблюдения, в частности, выполнялись в районе Приразломного НМ. ВЛТУ по морскому льду включают более чем 50 параметров, для которых определены средние, минимальные, максимальные значения, а также их величины для 1, 10, 50 и 100 лет.
Специализированное гидрометеорологическое обеспечение
В случаях, когда невозможно спроектировать сооружения, способные выдержать максимальные ледовые нагрузки и угрозы, необходима система организационно-технических мероприятий, направленных на предотвращение аварийных ситуаций – управление ледовой обстановкой (УЛО). Такая ситуация характерна для района Штокмановского ГКМ, где возможны айсберги массой более 4 млн т.
УЛО включает в себя обнаружение и отслеживание айсбергов и других опасных ледяных образований, прогнозирование траекторий их движения, определение степени риска для сооружения, принятие решения по физическому воздействию на опасный объект с целью предотвращения его проникновения в зону возможного контакта с сооружением. Архив данных Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) для Баренцева моря за период наблюдений, начиная с 1928 г., содержит около 20 тысяч зарегистрированных случаев появления айсбергов.
Изучение теплеющей Арктики – актуальная задача современной полярной науки. Ледовый лагерь ААНИИ, лето 2007 года
Тем не менее, до недавнего времени при планировании освоения ШГКМ вопросам айсберговой опасности уделялось меньше внимания, чем следовало. Поворотным пунктом оказались экспедиционные исследования в мае 2003 г., выполненные ААНИИ в рамках программы инженерных ледовых изысканий ШГКМ. Было зарегистрировано 109 айсбергов и обломков в пределах границ месторождения и прилегающих водах. Масса ледяных образований достигала 3,7 млн т.
ААНИИ разработана концептуальная схема айсбергового менеджмента на акватории Баренцева моря, позволяющая своевременно обнаруживать появление айсбергов, прогнозировать и контролировать их опасное сближение с платформой, и, наконец, активно воздействовать на айсберг с целью изменения траектории его дрейфа. Последняя, наиболее трудная, задача айсбергового менеджмента была практически отработана в 2004-2005 гг. в ходе экспериментов по буксировки айсбергов «Михаилом Сомовым». В общей сложности было выполнено три буксировки двух айсбергов, при этом масса наибольшего из них достигала 200 тыс. т.
Обнаружение айсбергов, мониторинг их динамики, прогноз траекторий движения является частью системы специализированного гидрометеорологического обеспечения (СГМО) района добычи и транспортировки углеводородов. Структура и виды информации в СГМО имеют свою специфику в зависимости от района и видов деятельности. Как правило, это обеспечение работы собственно платформы или терминала, операций по отгрузке углеводородов и морская транспортировка.
В настоящее время гидрометеорологическое обеспечение морской деятельности представляет собой сложную информационную систему, которая базируется на современных системах наблюдений, передачи и обработки информации, анализа и прогнозирования гидрометеорологических условий. Стационарная сеть полярных станций является основным источником гидрометеорологической информации, и за последние годы выполнен большой комплекс работ по их модернизации и обновлению.
С учетом перспектив экономического возрождения Арктики планируется дальнейшее восстановление части законсервированных станций и реконструкция сети, техническая модернизация метеорологических, гидрологических, актинометрических, аэрологических наблюдений на основе создания автоматической сети, дистанционных средств измерений и спутниковых систем сбора информации, основанной на оперативной технологии слежения за работой автоматов. До 2020 года предполагается восстановление 6 законсервированных гидрометеорологических станций и автоматизация метеорологических измерений на 73 станциях действующей сети. Свой вклад, пока еще скромный, в развитие системы наблюдений вносят недропользователи. Так в 2012 г. на Новой Земле было установлено три автоматических метеостанции в рамках программы ОАО Роснефть по освоению приновоземельских участков шельфа.
Спутниковые средства наблюдений являются основным, а в подавляющем большинстве случаев, единственным источником информации о состоянии арктического ледяного покрова. В настоящее время в России для ледово-информационного обеспечения морской деятельности используются спутниковые данные зарубежных космических аппаратов (КА) NOAA, Terra,Aqua, RADARSAT 1, RADARSAT 2, Envisat и лишь одного отечественного КА Метеор-М-1. Россия на 98% находится в зависимости от зарубежных источников спутниковой информации.
Поручением Совета Безопасности Российской Федерации от 17 марта 2010 г. планируется создание российской, первой в мире высокоэллиптической гидрометеорологической многоцелевой космической системы (МКС) «Арктика» для мониторинга обстановки в северных полярных районах в интересах обеспечения безопасности трансарктических перелетов, навигации на СМП, хозяйственной деятельности на арктическом шельфе, а также для изучения климата. На первом этапе система будет состоять из двух космических аппаратов на высокоэллиптических орбитах типа «Молния». Также в МКС «Арктика» будут входить два аппарата для всепогодных радиолокационных наблюдений, наиболее востребованных для мониторинга ледяного покрова и обеспечения морских транспортных операций.
Для решения задач информационного обеспечения полярных морских перевозок в 80-е годы в Росгидромете создана Автоматизированная ледово-информационная система для Арктики (АЛИСА). Инфраструктуру системы составляют: головной центр – Арктический и антарктический научно-исследовательский институт (Санкт-Петербург); НИЦ «Планета» и региональные центры приема и обработки данных ИСЗ (Москва, Новосибирск, Хабаровск); арктические УГМС и ЦГМС (Мурманск, Архангельск, Тикси, Певек); Гидрометцентр России (Москва).
Указанными организациями проводится сбор и анализ данных, получаемых с наблюдательной сети, российских и зарубежных центров, проводятся расчеты и составляются аналитические обзоры и прогнозы и штормовые предупреждения для обеспечения различных видов морской деятельности в Арктике.
Ежегодно выпускается более 12 тысяч метеорологических и гидрологических краткосрочных прогнозов общего пользования по различным акваториям арктических морей и около 400 краткосрочных прогнозов по акваториям портов со средней оправдываемостью 95-97%, что соответствует уровню прогнозирования ведущих зарубежных центров.
Следует отметить, что в течение последних 5 лет все наблюдаемые опасные гидрометеорологические явления для морской деятельности были спрогнозированы и штормовые предупреждения своевременно переданы заинтересованным организациям, что позволило сократить потери и ущербы по погодным условиям.
Не имеют аналогов в мировой практике составляемые Арктическим и антарктическим институтом сверхдолгосрочных метеорологических прогнозов (на год), а также широко используемых моряками прогнозов ледовых условий в арктических морях на I и II половину навигации по Северному морскому пути.
Росгидромет постоянно развивает технологии ГМО морского транспорта с учетом современных достижений в области информационных и телекоммуникационных технологий.
Для обеспечения ледового плавания необходимой гидрометеорологической информацией в ААНИИ был разработан адаптируемый комплекс мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы (АКМОН), позволяющий адаптировать технологический процесс мониторинга природной среды к региональным физико-географическим условиям и специфическим запросам потребителя, необходимым для повышения безопасности и эффективности морской деятельности в арктических морях России. Комплекс состоит из базового модуля, размещенного в информационном центре, и удаленных модулей. Базовый модуль обеспечивает сбор, обработку и анализ данных, разработку информационной продукции и, ее доведение до конечного потребителя. Удаленные модули, размещаемые на судах, ледоколах, платформах и терминалах, обеспечивают визуализацию метеорологической, ледовой и океанологической информации и ее совмещение с электронными навигационными картами.
По-существу, АКМОН – это ледовый навигатор, который включает, наряду с ледовой, и другую информацию (ветер, волнение, приливы, течения и др.). В настоящее время комплекс АКМОН успешно эксплуатируется для обеспечения морских транспортных систем ГМК «Норильский никель» в Карском море, Варандейского терминала в Печорском море, Сахалин-1 в Татарском проливе.
Изменения климата и освоение шельфа
В последние 10-20 лет в Арктике происходят заметные климатические изменения, поэтому стал актуальным вопрос их влияния на деятельность по освоению шельфа.
Существует два основных сценария климатических изменений: циклические изменения и однонаправленный тренд. Не оспаривая ни один из них, отметим, что, по мнению большинства ученых, наиболее вероятен второй сценарий. Циклические изменения климата с периодом, близким к 60 годам, присутствуют в данных наблюдений 20 века и начала 21 века. Поэтому, в случае реализации циклического сценария они будут пригодны для расчетов параметров для проектов 21 века. Данные указанного периода заложены в проектах Приразломного НМ и Штокмановского ГКМ.
Иная ситуация в случае сохранения однонаправленных изменений климата, продолжение наблюдаемого потепления в Арктике. В этом случае следует рассматривать изменения климата как фактор, требующий учета при проектировании долговременных, сложных морских объектов. Это означает, что недропользователи должны оценивать возможные изменения параметров окружающей среды, необходимых для проектирования, и учитывать их в своих проектах.
Рост средних приземных температур вследствие потепления в той или иной степени скажется на различных компонентах природной среды, при этом изменения ее экстремальных значений оценить достаточно сложно с учетом региональной специфики. Вероятно, усиление ветровой активности, увеличение числа штормов и усложнение погодных условий – рост повторяемости случаев ограниченной видимости, количества облачности будет негативно сказываться на авиационном обеспечении шельфовых объектов. Очень вероятен рост количества оттепелей в холодный период года и опасностей атмосферного и брызгового обледенения.
Очень вероятно повышение летних температур воды, прежде всего в поверхностном слое и на относительно мелководных участках шельфа глубиной несколько десятков метров. Сохранится наблюдаемый рост среднего уровня моря, что будет усиливать эффект штормовых нагонов в прибрежных зонах и воздействие моря на берега. Следует также ожидать некоторое увеличение высот ветровых волн различной обеспеченности, что усилит волновые нагрузки на морские и прибрежные сооружения.
Заметные изменения могут произойти с толщиной льда. Дальнейшее сокращение доли многолетних, наиболее толстых льдов, приведет к абсолютному доминированию однолетних льдов на российском шельфе, что снизит силы воздействия ледяных полей. Рост ветровой активности может усилить торошение в локальных и относительно мелководных районах, но не следует ожидать вследствие этого значительных изменений размеров торосов и стамух. Повышение температуры воздуха и воды будет способствовать уменьшению размеров их монолитной консолидированной части, и, следовательно, некоторому снижению воздействий, которые они оказывают на сооружения. Оценки возможных изменений геометрии айсбергов затруднительны, для этого слишком мало данных. Еще большую неопределенность содержат оценки долгопериодных трендов интенсивности продуцирования айсбергов выводными ледниками арктических архипелагов. Повышение температуры повлияет на скорость разрушения айсбергов, уменьшит время их жизни. Возможен некоторый рост максимальных скоростей движения ледяных образований, что может увеличивать силу их воздействий на морские объекты.
Существенные изменения ожидаются в сроках начала ледообразования, в продолжительности ледяного периода и сроках таяния льда, включая окончательное очищение акваторий. Будут возникать более благоприятные условия для морских операций, сократится время воздействия льдов на сооружения, что снизит риски возникновения неблагоприятных ситуаций. В среднем облегчится доступ к морским месторождениям российского шельфа.
Повышение уровня моря, рост числа и интенсивности штормов и увеличение продолжительности безледового периода в прибрежной зоне будет способствовать более интенсивному разрушению берегов, сложенных рыхлыми и льдистыми породами, что может угрожать прибрежной инфраструктуре.
Возможно увеличение числа и интенсивности ледовых штормов, когда сильное ветровое волнение развивается в зоне разряженных льдов, состоящей из достаточно крупных обломков льда. Так Печорское море представляет собой зону, где указанные факторы могут сочетаться при сильных продолжительных ветрах северо-западных направлений.
Менее однозначная ситуация с ветроволновыми и другими неледовыми воздействиями. Поэтому, можно рекомендовать недропользователям проводить более тщательные оценки по учету указанных неблагоприятных тенденций. Целесообразно включить подобные рекомендации в нормативные документы, регламентирующие подготовку данных о параметрах окружающей среды для проектов по освоению арктического шельфа, а также повышать надежность методов расчета прогностических параметров окружающей среды.
В целом ожидаемые изменения будут благоприятствовать деятельности по освоению морских месторождений, включая плавания по трассам Северного морского пути. При этом сохраниться потребность в мощных атомных и дизельных ледоколах, поскольку лед на трассах СМП будет присутствовать более половины года, будут возникать экстремальные ледовые явления.
Опыт последнего десятилетия показывает, что совместными усилиями государства и недропользователей проблемы обеспечения гидрометеорологической безопасности в Арктике решаются успешно.
