ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования.
Наводнения приводят к чрезвычайным ситуациям, которые наносят огромный материальный ущерб объектам экономики и могут привести к человеческим жертвам. Затопления, вызванные прорывом напорного фронта водохранилища, несут в себе ещё большую опасность, связанную с большой потенциальной энергией водохранилища, которая при прорыве плотины переходит в кинетическую энергию волны прорыва. При таком типе затоплений разрушения и возможные человеческие жертвы, вызванные прохождением волны прорыва, очень велики, а затопление больших территорий ведет к возможной изоляции части населения от внешнего мира.
В этих условиях необходимо своевременное проведение поиска и спасения, выполнение аварийно-спасательных работ, а также эвакуация населения, находящегося в зоне затопления, и оказание медицинской помощи пострадавшим. Для этого могут быть задействованы воздушные, водные, наземные и специальные силы и средства аварийно-спасательных формирований.
Для эффективного применения сил и средств аварийно-спасательных формирований необходима достоверная картина последствий прорыва напорного фронта водохранилища, в том числе время схода воды с поверхности и время осушения грунтов. Эту информацию необходимо получить в кратчайшие сроки и с максимальной точностью. Для получения этой информации необходимо совместное применение прогнозирования параметров затопления территорий, проведения мероприятий по разведке площадей затопления, а также прогнозирование времени осушения затопленных территорий и проходимости местности подразделениями спасателей. При решении этих задач в комплексе могут быть сведены к минимальным значениям возможные человеческие жертвы за счет более эффективных, более адресных и своевременных действий аварийно-спасательных формирований и экономический ущерб за счет более раннего начала
проведения восстановительных работ и, как следствие, более раннего ввода в эксплуатацию объектов народного хозяйства.
Таким образом, особое значение приобретают исследования, направленные на осуществление комплексного оперативного прогнозирования последствий затопления территорий.
Цель работы. Разработка аналитической методики оценки факторов, влияющих на безопасность транспортной операции в зоне затопления.
Задачи исследования.
1. Разработка методики оценки параметров проходимости затопленных территорий.
2. Разработка методики определения времени осушения затопленных территорий.
3. Разработка методики определения параметров подтопления территории.
4. Разработка комплексной методики определения времени начала транспортной спасательной операции.
5. Разработка компьютерной программы оперативного прогноза проходимости затопленных территорий.
6. Оценка адекватности результатов, полученных с помощью методик.
Научная новизна.
1. Установлены факторы, оказывающие влияние на безопасность транспортной операции в зоне затопления.
2. Составлен алгоритм аналитической оценки параметров, влияющих на безопасность транспортной операции.
3. Разработаны аналитические модели расчета времени осушения территорий до определенных значений влажности и расчета высоты подтопления территории.
4. Предложено наряду с зонами полного затопления оценивать также площадь территории подтопления с нанесением на карту зон с высоким уровнем грунтовых вод.
5. Решена задача выбора оптимальных транспортных средств.
Положения, выносимые на защиту.
1. Научные основы проведения спасательных операций.
2. Методика определения проходимости затопленных территорий транспортными подразделениями спасателей.
3. Математическая модель изменения водонасыщения грунта (осушения) с течением времени.
4. Методика определения параметров подтопления территорий.
Практическая значимость.
1. Разработана аналитическая методика оперативного прогнозирования проходимости затопленных территорий. Методика позволяет проводить прогнозирование без замеров на местности.
2. Разработана компьютерная программа, позволяющая автоматизировать процесс оперативного прогнозирования динамики осушения грунтов и проходимости территорий подразделениями спасателей.
3. Получены графики изменения степени водонасыщения с течением времени для разных грунтов, позволяющие определить требования к характеристикам транспорта спасателей графическим путем.
4. Получены диаграммы для выбора моделей транспортных средств для проведения спасательных операций на грунтах разного типа.
g
ГЛАВА 1 Анализ литературных источников проблемы затопления территорий
1.1. Наводнения как причина затопления территорий
В литературных источниках [19, 49, 64, 67] указано, что природно-географическими условиями возникновения наводнений являются: выпадение осадков в виде дождя, таяние снега и льда, цунами, тайфуны, а также опорожнение водохранилищ.
Обычно наводнения бывают дождевого-речного типа. Второй тип — затопление побережья в результате поднятия уровня моря при шторме (наводнения нагонного типа). Значительно реже — наводнения могут являться следствием опускания суши. Кроме того, наводнения возникают при обильном таянии снега, в связи с заторами при ледоходе, таянием льда при оттепелях. Очень опасны наводнения, связанные с разрушением защитных сооружений (дамбы, плотины). Причиной наводнений может быть, например, недостаточная пропускная способность водоотводов при грозовых ливнях. Выпадающие на значительных площадях ливневые дожди могут сильно повысить уровень рек, особенно если дожди сопровождаются внедрением теплых воздушных масс или воздействием мигрирующего штормового фронта. В этом случае от разлива реки может быть затоплена вся ее пойма.
Приведенные статистические данные в «Кратких справочных данных о чрезвычайных ситуациях техногенного, антропогенного и природного происхождения» [2] показывают, что наиболее часто сильные ливневые наводнения происходят на Дальнем Востоке, а также в европейской части России. Для примера в таблице 1.1 приведены данные о повторяемости наводнений в Приморье, а в таблице 1.2 - о частоте затопления пойм некоторых рек. Данные о катастрофических уровнях воды в реках по многолетним наблюдениям сведены в таблице 1.3.
При таянии снега вода от снега суммируется с дождевой, что может вызвать
наводнение, особенно при внезапной оттепели, ускоряющей процесс таяния снега. Тем не менее, паводки от таяния снега развиваются значительно медленнее, чем дождевые, что позволяет принять упреждающие защитные меры.
При резкой оттепели после холодной зимы лед на реках почти не размягчается и его ломка происходит с замедлением. При этом вздувшаяся река проламывает ледяной слой. Большие глыбы льда могут образовывать заторы у мостов и в узких местах русла, и это приводит к запрудам. Выше затора происходит разлив, а при преодолении водой затора волна наводнения, распространяясь вдоль русла, вызывает большие разрушения.
Таблица 1.1
Повторяемость наводнений в Приморье (раз/лет)
Река Наводнение
Небольшое Большое Выдающееся и катастрофическое
Уссури 1/2 1/4 1/9
Иман 1/2 1/3 1/6
Суйфун 1/2 1/7 1/16
Даубихе 1/2 1/4 1/10
Таблица 1.2 Частота затопления пойм равнинных рек (% от числа лет).
Район Часть поймы
притеррасовая центральная прирусловая
Северо-Запад европейской части России 71 59 42
Нижняя Обь 95 75 65
Верхняя Волга 81 68 40
Бассейн Днепра - 80
Крупные наводнения возникают при прорыве ледниковых вод (воды, скапливающейся под ледником), а также в случае прорыва дамб и плотин. Эти прорывы
10
идут при больших расходах воды [41... 44].
На формирование наводнений значительное влияние оказывают геологические факторы. Поэтому важно располагать данными о геологии бассейна, откуда идет поступление воды на затопляемую местность. Эти сведения могут быть взяты из следующих источников: геологических, гидрологических карт и дополнены данными аэрофотосъемки [39,105].
Прочные изверженные породы и метаморфические, а также уплотненные осадочные, размываются в течение долгого времени. Поэтому здания и сооружения, возведенные на этих породах при наводнениях, редко оказываются подмытыми.
Рыхлые отложения, выветренные и химически измененные породы гораздо менее устойчивы к воздействию воды. Поэтому здания и сооружения, возводимые на таких основаниях, могут терять устойчивость [58,94].
Наиболее часто на территории России наводнение представляет собой повышение уровней и расходов воды в реке за счет резкого увеличения ее притока. В зависимости от времени года, источника притока воды в русло, а также его интенсивности, наводнения подразделяют на весеннее половодье и паводок. Весеннее половодье сопровождается обычно повышением уровней и расходов воды в реке за счет таяния снега. Вода полностью заполняет меженное русло и заливает прилегающую пойму.
Рис. 1.1 Причины аварий гидротехнических сооружений
10%
2% 2% 1% 2%
5%
12%
40%
23%
Н Разрушение основания
щ Недостаточность выбросов
? Слабость конструкции
? Неравномерная
¦ Высокое давление s Военные действия
щ Сползание откосов щ Дефектные материалы
¦ Землетрясение
Неправильная эксплуатация
12
Высокие (катастрофические) уровни воды в реках, см. (от отметки уровня межени)
Река Пункт До начала регистрируемых наблюдений С начала регулярных наблюдений
Период Год Дата Уровень Период Год Дата Уровень
Сев.Двина Архангельск - - - . - 1752-1952 1811 май 677
Сухона Вел. Устюг 1723-1720 Более 930 1881-1950 1936 апрель 930
Нева С.Петербург 1703-1720 - - 254 1721-1953 1824 ноябрь 375
Волхов Новгород 1867-1876 1867 - 661 1877-1950 1922 май 702
Неман Смалинкай - - - - 1812-1952 1962 апрель 847
Днепр Кременчуг Дненпропетровск Лоцманская каменка 1760-1876 1760-1876 1760-1817 1845 1854 1798 - 672 699 525 1877-1953 1877-1953 1818-1953 1931 1931 1931 май май май 701 731 686
Дон Старочеркесская 1740-1876 1819 - 560 1877-1950 1917 апрель 597
Волга Ярославль Н.Новгород Астрахань 1841-1876 1719-1849 1867 1719 апрель 1052 1268 1877-1950 1850-1953 1792-1952 1899 1926 1926 апрель май июнь 1026 1288 423
Ока Дедново Муром - 1641 1820 - 793 1163 1881-1950 1877-1950 1908 1926 апрель май 802 1043
Москва Москва 1788-1888 1879 - 839 1881-1950 1908 апрель 915
13
Река Пункт До начала регистрируемых наблюдений С начала регулярных наблюдений
Период Год Дата Уровень Период Год Дата Уровень
Кама Березники Чистополь 1688-1880 1858-1875 1810 - 945 1199 1881-1950 1876-1950 1914 1926 май май 945 1240
Чусовая Кын 1837-1880 1837 - 617 1881-1950 1914 май 617
Иртыш Тобольск 1753-1889 1794 Июнь 1088-1114 1890-1950 1941 июнь 951
Енисей Означенная Красноярск Енисейск 1857-1901 1870-1901 1879 1857 1857 - 702 1039 1372 1907-1950 1902-1950 1902-1950 1916 1941 1937 июнь май май 602 909 1570
Колыма Среднеколымск 1883-1920 1882 - 1376 1927-1953 1942 июнь 1436
Шилка Сретенск 1798-1897 - - 964 1896-1950 1897 август 964
Амур Комсомольск - 1872 - - - 1898 - -
Зея Мазанова - 1872 - 984 1903-1950 1928 июль 884
Селемужа Экимчан - 1872 - 622 1912-1950 1924 июль 412
14
В работе «Аварии и катастрофы» [5] указано, что наибольшая высота уровня весеннего половодья зависит от следующего ряда факторов:
¦ величины запасов воды в снеге в бассейне к началу таяния и характера их распределения в бассейне;
¦ интенсивности и одновременности весеннего таяния снега по бассейну;
¦ промерзлости почв бассейна перед таянием снега;
¦ насыщенности водой почв бассейна перед таянием снега;
¦ количества и интенсивности осадков перед весенним наибольшим подъемом уровня воды в реке.
Продолжительность половодья для небольших рек - несколько дней, для больших рек она составляет 1-3 месяца.
Паводок, т.е. подъем воды в реках от дождей, достигает наибольших размеров во время ливневых осадков. В этот момент реки обладают большой энергией, они наиболее активны, несут наибольшие массы воды и наносов, деформируют дно и берега, представляя серьезную угрозу наводнения прилегающих районов и крупных промышленных центров. Огромные массы воды грозят разрушением плотин, мостов и других сооружений в береговой зоне реки [10,71,74,75,101,102].
Паводковые наводнения, зачастую, скоротечны, возникают внезапно и тем самым наносят наибольший ущерб народному хозяйству. Паводки продолжаются обычно в течение нескольких дней.
Особую опасность для населения и объектов народного хозяйства представляет наводнение, вызванное весенним половодьем и одновременно с ним возникшим паводком.
Кроме природно-географических, на режим рек существенное влияние оказывают техногенные факторы, т.е. факторы, обусловленные хозяйственной деятельностью человека. В настоящее время, в связи с бурным развитием водного
15
хозяйства, как в России, так и за рубежом, большинство рек имеет зарегулированный характер, и это позволяет изменять их бытовой режим (устраивать попуски, создавать зоны затоплений). В результате несанкционированных действий человека при эксплуатации гидротехнических сооружений возможны катастрофические явления, связанные с полным или частичным опорожнением водохранилищ. В зависимости от времени опорожнения водохранилищ различают два вида речного стока: волна попуска -медленное опорожнение и волна прорыва - быстрое опорожнение. Образование волны прорыва тесно связано с авариями на гидротехнических сооружениях. В таблице 1.4 приведены данные статистики о частоте разных причин аварий гидротехнических сооружений. В таблице указана частота аварий для различных типов плотин [76].
Таблица 1.4 Частота различных причин аварий гидротехнических сооружений
Причина разрушения Частота в %
Разрушение основания 40
Недостаточность выбросов 23
Слабость конструкции 12
Неравномерная осадка 10
Высокое пороговое (капиллярное) давление (в намытой плотине) 5
Военные действия 3
Сползание откосов 2
Дефектные материалы 2
Землетрясение 1
Неправильная эксплуатация 2
Всего 100
Таблица 1.5 Частота аварий для различных типов плотин.
Тип плотины Аварии %
Земляная 53
Защитные дамбы из местных материалов 4
Бетонная гравитационная 23
Арочная железобетонная 3
Плотины других типов 17
Всего 100
По своей физической сущности волна попуска (прорыва) представляет собой
16
неустановившееся движение потока воды, при котором глубина, ширина, уклон поверхности и скорость течения в любом рассматриваемом створе изменяются во времени.
В.И. Дворяшин в своей работе «К расчету волны попуска» [3] отмечает, что характерными точками волны попуска в ее поперечном сечении являются фронт, гребень и хвост волны.
Основные оценочные параметры волны попуска:
- максимальная в данном створе высота волны Нв и глубина потока
- Н = Н, + he (he - глубина реки до прохождения волны или иначе - бытовая глубина);
- скорость движения СфР, Сгр, Схв и времена добегания 1фр, tzp, txe характерных точек волны до различных створов, расположенных ниже гидроузла;
- длительность прохождения волны Тв в выделенных створах, равную сумме времени подъема Тпод и спада Тсп уровня воды в них;
- средние Vn поверхностные Vnoe скорости течения в различных створах;
- наибольшая ширина В затоплений речной долины.
Применительно к наводнениям и паводкам поверхность любого речного бассейна состоит из множества элементарных площадок суши, имеющих различные углы наклона к горизонту и отделенных друг от друга микроводоразделами с продольными понижениями различной глубины и формы. Система этих понижений образует гидрографическую сеть бассейна, имеющую свой водообмен, который зависит от зоны расположения реки, озера. Гидрографическая сеть собирает воду со склонов и транспортирует ее вниз по уклону к последнему створу.
В зарубежных литературных источниках также рассмотрены причины наводнений [121, 122, 124], влияние рельефа местности на характер наводнений [123], методы уменьшения воздействия наводнений [120]. |
