Воздействие цунами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Под чрезвычайной ситуацией принято понимать обстановку на определенной территории, сложившуюся в результате аварии, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности населения. ЧС возникают не сразу, как правило, они развиваются постепенно из происшествий техногенного, социального или природного характера.

Проектирование системы обеспечения безопасности. В ней будет подробно рассмотрены и описаны причины возникновения этого природного явления, процесс развития, возможные последствия и способы ликвидации и защиты от него.

Цунами, огромные морские волны, связанные главным образом с подводными землетрясениями, но иногда возникающие при вулканических извержениях на дне океана, которые могут вызвать образование нескольких волн, следующих с интервалом от нескольких минут до нескольких часов. Цунами является одним из опаснейших природных явлений, так как влечет за собой множественные потери: способно сильно подорвать экономическую стабильность страны или государства, а так же нанести непоправимый вред проживающему населению, вплоть до массовой гибели людей.

Основным районом, где возникает цунами, является Тихий океан. Из 400 действующих сегодня на земле вулканов 330 расположены в бассейне Тихого океана, здесь наблюдается более 80% всех землетрясений.

"Цунами" в переводе с японского языка означает "волна в гавани". И хотя этот перевод звучит несколько экзотически и носит описательный характер, указанный термин как нельзя лучше характеризует суть явления.



1. Явление цунами

1.1 Природа цунами

Цунами известно миру с незапамятных времен. Первое описанное цунами уничтожило город Амнисос на Крите около 1400 года до нашей эры. Возможно, что именно извержение вулкана Санторин и вызванное им цунами стали причиной исчезновения минойской цивилизации, которая отразилась в легенде о гибели Атлантиды.

Само слово "цунами" образовано от двух японских иероглифов: "цу" означает "гавань", "нами" - "большая волна". Этот термин с буквальной точностью описывает суть явления. Восточное побережье Японии более всего в мире страдает от действия цунами, потому японское слово было выбрано для обозначения этого явления повсеместно.

В то же время наиболее общее определение термина "цунами" дал в 1968 году американский ученый Ван-Дорн: "Цунами - это японское название системы гравитационных волн, возникающих в море вследствие крупномасштабных возмущений свободной поверхности".

Служба предупреждения цунами России использует такое определение цунами: "Цунами - длиннопериодные волны, возникающие в океанах и морях, в основном вследствие подводных землетрясений, а также как результат извержений подводных или островных вулканов или оползней больших масс земных пород".

Ветра, дующие над океанами, рождают волны лишь в его верхних слоях. Во время сильных штормов волны могут подниматься на высоту 30 метров и более, но даже они не затрагивают внутренние воды океана и остаются лишь на поверхности. Скорость движения волн, вызванных обычными ветрами, достигает порядка 20 км/час, что неизмеримо меньше скорости волны цунами (может достигать 1000 км/час).

Обычные волны представляют собой колебательное движение верхнего слоя водной массы водоема. Высота ветровых волн обычно не более 4 м, реже - 6-7 м. В морях она ниже, чем в открытом океане. Наибольшая измеренная высота волны - 20 м. Средняя длина штормовых волн около 100 м. Основные характеристики ветровых волн и волн цунами приведены в таблице1. волна цунами землетрясение циклон

Таблица 1 Основные характеристики ветровых волн и волн цунами

Параметры	Ветровые волны	Волны цунами
Скорость распространения	До 100 км/ч	До 1000 км/ч
Длина волны	До 0,5 км	До 1000 км
Период	До 20 секунд	До 2,5 часов
Глубина проникновения	До 300 м	До самого дна
Высота волны в открытом море	До 30 м	1-2 м
Высота волны и побережья	До 40 м	До 70 м

Высота волн цунами в океане убывает по мере удаления от места их возникновения пропорционально расстоянию, взятому в степени 5/6. Невозможно предсказать, какая из волн цунами окажется самой разрушительной.

Волну цунами можно отнести к солитонным явлениям. Солитон определяется как уединенная волна (частицеподобная волна), распространяющаяся в виде импульса неизменной формы. Солитон является устойчивым образованием и, следовательно, обеспечивает наиболее эффективный механизм переноса энергии. Существование подобного механизма подтверждается такими грандиозными природными явлениями, как цунами и смерч. Благодаря быстрому ослаблению высоты обычной штормовой волны (вследствие дисперсии и расходимости) происходит локализация возмущений на воде (иначе бы штормовые волны, зародившись в одном месте, оставались опасными для всего океана). Главная особенность солитонов заключается в неизменности их формы в процессе распространения, и, следовательно, такие волны могут распространяться на очень большие расстояния без потери своей энергии.

1.2 Причины цунами

Землетрясения, извержения вулканов и другие подводные взрывы (в том числе взрывы подводных ядерных устройств), оползни, ледники, метеориты и другие разрушения выше или ниже уровня воды -- всё это обладает достаточным потенциалом, чтобы вызвать цунами.

1.2.1 Подводные землетрясения

Самая основная причина, которая вызывает до 85% процентов всех цунами - подводные землетрясения, во время которых происходят резкие колебания морского дна. Выделяющаяся при этом огромная энергия передаётся толще воды. Океанические массы начинают возмущаться и разбегаться волнами от эпицентра землетрясения.

На бескрайних морских просторах такие волны практически незаметны. Они имеют пологую форму, с высотой, не превышающей одного метра, и длиной, доходящей до сотен километров. Энергия в такой волне рассосредоточена на огромной площади, и даже утлая лодчонка не почувствует всю силу и мощь, которая пройдёт под ней. Эти колебания водной среды распространяются с огромной скоростью. Она может равняться и 500, и 700, и даже 1000 км/ч - всё зависит от толщи морской воды. При приближении к берегу глубина падает, соответственно снижается скорость и укорачивается длина волны. Высота же её начинает стремительно расти. Она превращается в огромный водяной вал, который с рёвом обрушивается на прибрежную зону. Эти тысячи и тысячи тонн бушующей стихии сметают на своём пути всё.

Сделав своё страшное дело и растратив всю энергию, океан обессилено уползает с суши, затихает, копит силы - это может продолжаться и 20, и 40, и 60 минут. Но вот прибрежная вода начинает медленно отступать от берега, обнажая неровное илистое дно. Окружающий истерзанный мир тревожно замирает в ожидании чего-то страшного и нехорошего. Сгущается тишина, воздух наполняет тревога, переходящая в ужас.

В морской дали начинает расти второй, ещё более огромный вал воды. Он ширится на глазах, закрывает горизонт, разрывая тишину страшным грохотом, рушится на земную твердь, доканчивая страшное дело, начатое первым валом. Смертоносная энергия уничтожает всё, что ещё уцелело, убивает всё, что ещё живо. Вволю натешившись своей безнаказанностью и вседозволенностью стихия уходит, но до конца этого ужаса ещё далеко.

Проходит час или около того, и многострадальная земля принимает на себя третий жуткий удар. Кошмар может продолжаться и пять, и шесть часов. Только по происшествию этого времени, полностью удовлетворив свои самые низменные инстинкты, океан успокаивается. Растратив весь негатив, морская среда на глазах превращается в тихую, ласковую, нежную и послушную голубую гладь воды. О пережитом ужасе напоминает только изуродованная суша, на которой в беспорядке разбросаны вырванные с корнем деревья, раскиданы останки домов, уничтожены дороги и цветущие сады.

Такова картина этого страшного природного явления, которое появилось тогда, когда возник Мировой океан. В целом же, страшный катаклизм происходит в разных прибрежных зонах 6-7 раз в столетие. Но это крупные цунами. Мелкие бывают в десять раз чаше. Больше всего к страшным волнам-убийцам тяготеют воды Тихого океана, так как дно этого огромного водоёма изрезано многочисленными желобами и разломами. Именно в этих местах происходят соприкосновения различных тектонических плит. Геологические процессы идут здесь непрерывно, а отсюда и повышенная сейсмическая активность. Большую опасность представляет западная периферийная зона Тихого океана. Тут располагаются Курило-Камчатский желоб и Японский желоб. Севернее находится Алеутский желоб, на востоке - Перуанско-Чилийский желоб (Южная Америка), в южной части - желоб Кермадек.

Земную кору в местах разломов и желобов потряхивает постоянно, поэтому землетрясения частые гости в этих районах. Но не каждое из них способно породить цунами. Чтобы сдвинуть с места огромные массы воды, нужна титаническая энергия. Таковую могут предоставить только очень сильные поднятия и опускания морского дна. По двенадцатибальной шкале Рихтера это магнитуда в 7 баллов и выше. Выше может быть только 9 баллов, больших величин магнитуды на Земле не бывает, поэтому толчки такой силы довольно редкое явление.

Высота цунами во многом зависит от очертаний и рельефа береговой линии. Волна наступает широким фронтом и в тех местах, где крутой берег или глубоко врезающийся в сушу залив, ревущий вал достигает максимальной высоты. Если же находиться в закрытой бухте, то можно даже и не догадываться, что всего в нескольких километрах от этого места всё рушится и гибнет.

1.2.2 Вулканические извержения

Другим источником цунами могут служить вулканические извержения. Крупные подводные извержения обладают таким же эффектом, что и землетрясения. При сильных вулканических взрывах образуются кальдеры. Кальдеры - это котлообразные впадины с крутыми склонами и ровным дном, образующиеся вследствие провала вершины вулкана. В диаметре кальдеры достигают 10-15 км, а в глубину - несколько сотен метров. При взрыве вулканов кальдеры моментально заполняются водой, в результате чего возникает длинная и невысокая волна.

Классическим примером такого источника может служить извержение вулкана Кракатау 27 августа 1883 года, расположенного у берегов Индонезии. Волны цунами распространились по всему Индийскому океану -- от берегов Индии на севере до мыса Доброй Надежды на юге. В Атлантическом океане они достигли Панамского перешейка, а в Тихом океане - Аляски и Сан-Франциско. Цунами от взрыва этого вулкана наблюдались в гаванях всего мира.

1.2.3 Оползни

Оползень - отделившаяся масса рыхлых пород, медленно и постепенно или скачками оползающая по наклонной плоскости отрыва, сохраняя при этом часто свою связанность и монолитность и не опрокидывающаяся.

В земных условиях это обычное дело, когда большая масса горных пород сползает по склону долины или речного берега. Такое движение может длиться десятилетия, а может начаться неожиданно, проходить стремительно и закончиться в сжатые сроки. Груды земли сползают в долину или в реку, причиняя определённый ущерб окружающей среде.

Аналогичные процессы происходят и на морском дне, так как здесь не меньше гор и возвышенностей, чем на суше. На склонах подводных горных хребтов копятся осадочные породы. Со временем их масса становится критической, и они рушатся вниз, создавая колебания окружающей водной среды. Если энергии будет достаточно, то возникнет цунами, которая по величине может ничуть не уступать аналогичной волне, образованной посредством землетрясения.

Особенной частотой подводные оползни отличались в последнюю ледниковую эпоху, 25515 тыс. лет назад, когда зеркало Мирового океана еще стояло на низком уровне.

Специалисты указывают, что следы крупнейших подводных оползней находили преимущественно в районах вулканических островов: тяжелые лавовые сооружения, отложившиеся на слои рыхлых донных осадков, часто обрушивались, сползая со склона на большие глубины. Об этом свидетельствует, например, эволюция Гавайских островов, которые со всех сторон окружены обломочными породами на общей площади более 100 тыс. км². Гавайские оползни перемещались с большой скоростью, порождая гигантские волны цунами, оставившие свой след на суше на высоте более 200 м над уровнем моря.

Катастрофическое цунами на побережье Папуа-Новая Гвинея (17 июля 1998 г.), приведшее к гибели более 2000 человек (максимальная высота 15 м), было вызвано мощным подводным оползнем, инициированным землетрясением с магнитудой 7,1.

Крупные оползни на поверхности земли также могут вызывать губительные волны цунами. Примерами могут служить цунами в 1930 году на острове Мадейра (из-за землетрясения упал в воду с высоты двести метров крупный обломок скалы), цунами 9 июля 1958 года на Аляске в бухте Литуйя и другие.

1.2.4 Подводный атомный взрыв

В наше время у человека в руках появилось средство вызывать по своему произволу сотрясения, раньше доступные лишь природе. В 1946 году США произвели в морской лагуне глубиной 60 м подводный атомный взрыв с тротиловым эквивалентом 20 тыс. тонн. Возникшая при этом волна на расстоянии 300 м от взрыва поднялась на высоту 28,6 м, а в 6,5 км от эпицентра еще достигала 1,8 м.

1.2.5 Падение астероида или метеорита

По мнению ученых, такие космические визиты происходят не чаще одного раза в 100 тысяч лет. Основную опасность в глобальном масштабе представляют астероиды с радиусом больше 1 км. Столкновение с меньшими по размеру телами может вызывать значительные локальные разрушения (Тунгусское явление), но не приводит к глобальным последствиям.

В настоящее время составлен и издан каталог из нескольких сотен потенциально опасных астероидов и комет, сближающихся с Землей. Информация охватывает данные об их орбитах, фотометрических параметрах, вращении, размерах, скоростях, физических свойствах.

В последнее время большое внимание уделяется возникновению цунами в результате падения в океанические воды естественных космических объектов -- астероидов и комет. Особенно интерес к этой проблеме возрос после падения на Юпитер в 1994 г. кометы Шумейкер-Леви.

1.2.6 Циклоны

Источниками цунами могут оказаться не только подводные землетрясения, вулканические извержения и подводные оползни, но и мощные циклоны умеренных широт и тайфуны, часто "разгуливающие" над океаном в этих районах.

Такие волны принято называть метеорологическими цунами. Речь идет о длинных и уединенных волнах, возникающих при перемещениях циклонов умеренных широт и тайфунов. Эти волны, малозаметные в открытых районах моря, при подходе к берегу резко увеличивают свою высоту и могут причинять ущерб, не меньший, чем цунами, сгенерированные подводными землетрясениями, подводными оползнями, взрывами вулканов. Возникновение цунами метеорологического происхождения связано прежде всего со статическим эффектом неравномерности распределения давления в циклонах. Известно, что понижение атмосферного давления на 1 мм ртутного столба вызывает повышение уровня моря на 13,6 мм и, наоборот, повышение давления на 1 мм приводит к понижению уровня на 13,6 мм.

1.3 Классификация цунами

В зависимости от причин возникновения различают цунами, порождаемые подводными и прибрежными землетрясениями, крупными извержениями вулканов и оползнями на морском дне.

Интенсивность цунами по результатам воздействия на побережье (последствиям этого воздействия) оценивают по условной шкале интенсивности:

I -- очень слабое цунами. Волну отмечают (регистрируют) лишь специальные приборы -- мореографы.

II -- слабое цунами. Может затопить плоское побережье. Его замечают лишь специалисты.

III -- среднее цунами. Плоское побережье затоплено, легкие суда могут оказаться выброшенными на берег. Портовые сооружения могут быть подвергнуты слабым разрушениям.

IV балла -- сильное цунами. Побережье затоплено. Прибрежные постройки повреждены, имеют слабые и средние разрушения. Крупные парусные суда и небольшие моторные суда выброшены на сушу, а затем снова смыты в море. Берега засорены песком, илом, обломками камней, деревьев, мусором. Возможны человеческие жертвы.

V -- очень сильное цунами. Приморские территории затоплены. Волноломы и молы сильно повреждены. Суда, даже крупные, выброшены на берег. Ущерб велик и во внутренних частях побережья. Здания и сооружения имеют сильные, средние и слабые разрушения в зависимости от удаленности от берега. Все кругом усеяно обломками. В устьях рек высокие штормовые нагоны. Сильный шум волн. Имеются человеческие жертвы.

VI -- катастрофическое цунами. Полное опустошение побережья и приморских территорий. Суша затоплена на значительные расстояния вглубь от берега моря. Большие человеческие жертвы.

1.4 Основные характеристики цунами

Основными характеристиками цунами являются: магнитуда, интенсивность на конкретном побережье и скорость движения волны. За магнитуду цунами принят натуральный логарифм колебаний уровня воды (в метрах), измеренный стандартным мареографом у береговой линии на расстоянии от 3 до 10 км от источника цунами. Магнитуда цунами, в отличие от магнитуды землетрясения, характеризует только часть энергии цунами (которая сама является частью сейсмической энергии). Существует зависимость между сейсмической магнитудой (ms), магнитудой цунами (m) и высотой главной волны цунами (h) - таблица 2.

Таблица 2 Зависимость между сейсмической магнитудой, магнитудой цунами и высотой главной волны цунами

Магнитуда землетрясения, ms	Магнитуда цунами, m	Высота главной волны, h
7,5	1	2-3
8	2	4-6
8,25	3	8-12
8,5	4	14-20

Первым фактором является направление движения по отношению к берегу, контуру береговой линии, береговому склону и шельфу. Разрушительная сила цунами прямо пропорциональна скорости выхода волны к берегу. Вторым фактором воздействия являются мощные течения в результате ее отхода (смыв почвы, смыв склонов, размыв насыпей дорог, оснований мостов, дамб, фундаментов сооружений). Третий фактор - затопление больших территорий морской водой. Четвертый фактор - возможность сильных волнений на море вблизи берега.

Факторами усиления разрушительной силы цунами является не сила землетрясения, но прежде всего изменения и движения плит земной коры во время землетрясения. То есть чем больше смещение плит на океаническом дне, вызванных землетрясением, тем большая масса воды приводится в движение и тем сильнее мощь цунами.

1.5 Поражающие факторы цунами

Основные поражающие факторы цунами -- ударное воздействие волны, размывание и наводнения, полный список приведен в таблице 3.



Таблица 3 Поражающие факторы цунами

Первичные	Вторичные
· высота, скорость и сила распространения волн при обрушении их на побережье; · подтопление, затопление прилегающих к берегу земель; · сильное течение при обратном уходе волн с берега в океан; · сильная воздушная волна.	· разрушение и затопление прибрежных сооружений, зданий; · снос техники, построек, судов; · пожары, взрывы на опасных объектах; · смыв плодородного слоя почвы, уничтожение урожая; · уничтожение или загрязнение источников питьевой воды.

Вторичными последствиями разрушительных воздействий цунами могут быть пожары, возникающие в результате повреждений нефтехранилищ, пожароопасных предприятий, морских судов. Разрушение химически и радиационно-опасных объектов, а также коммунальных систем может вызвать на обширных территориях химическое, радиационное или другое загрязнение. Вторичные последствия цунами по тяжести и размерам ущерба могут во много раз превосходить его прямые последствия.



2. Прогнозирование и оценка последствий цунами

2.1 Теоретические данные

Для оценки последствий цунами для зданий и находящихся в них людей необходимы следующие исходные данные:

- магнитуда землетрясения,

- расстояние от эпицентра землетрясения до береговой линии,

- средняя глубина океана,

- уклон берега,

- характеристика застройки населенного пункта,

- возможное количество людей, находящихся в конкретных зданиях.

В результате проведенной оценки могут быть получены следующие данные: степень разрушения зданий и сооружений, расстояние, на котором здания и сооружения не пострадают, потери населения в результате разрушения зданий.

1. Для определения скорости С распространения волн цунами обычно пользуются формулой:

, м/с ,

где g - ускорение силы тяжести, м/с; Н - глубина океана, м.

2. Время распространения волн цунами от эпицентра до берега можно определить по формуле:

, с,



где L - расстояние от эпицентра возникновения цунами до берегам; С - скорость распространения волн цунами, м/с.

Основными разрушающими факторами при воздействии цунами являются: гидростатическое давление, давление гидравлического потока, размывающее действие, транспортирующее действие.

Интенсивность гидравлического воздействия на сооружения можно оценить давлением гидравлического потока. Рассмотрим распространение цунами на берегу.

3. Глубину гидропотока у уреза воды ориентировочно можно принять равным:

h_ур = 1.5 h_о, м,

где h_o - высота волны цунами.

4. Давление гидравлического потока в основном зависит от скорости потока по берегу. Скорость распространения потока у уреза воды приблизительно можно определить по формуле:

, м/с,

где 3 - коэффициент с размерностью, м^1/2/с.

5. Сопротивление движению потока в гидравлических расчетах учитывается коэффициентом шероховатости:

,



где i - уклон берега.

6. Дальность S_к распространения воды по берегу зависит от уклона берега, шероховатости, а также глубины потока в конечной рассматриваемой точке:

, м,

где h_k - глубина потока в конечной рассматриваемой точке.

Обычно глубину, при которой ущерба практически не наблюдается, принимают h_k=0.5 м.

7. Высота волны h на различных расстояниях S от берега может быть определена по формуле:

h=(U_yp - i S)(1-n), м,

где U_ур - скорость потока у уреза воды, м/с.

При прохождении гидравлического потока мимо здания возникает сложная картина взаимодействия. Поле давлений в основном зависит от параметров волны (глубины потока, скорости), размеров и ориентации объекта относительно фронта волны.

После достижения подходящей волной фронтальной стены в первый момент происходит удар о стену. На лобовую поверхность фронтальной стены действует давление р:

р = Р_s+P_d , Па,



где Р_s - среднее гидростатическое давление Па; Р_d - гидродинамическое давление Па.

Среднее гидростатическое давление может быть определено по формуле:

Р_s = 1/2gh, Па,

где - плотность воды =1000 ,/м³; g - ускорение свободного падения м/с²; h - высота волны, м.

Гидродинамическое давление определяется из выражения:

Р_d = 1/2 U², Па,

где - коэффициент лобового сопротивления (=1.4); U- скорость потока, м/с.

Тогда выражение для определения давления потока на сооружение будет иметь вид:

, Па.

Дальность распространения волн цунами на берегу позволяет судить о масштабах защитных мероприятий. Ориентировочно этот показатель может быть определен по таблице 4.



Таблица 4 Зависимость дальности распространения волн цунами на берегу от высоты волны h_ур на урезе воды и уклона берега i.

Уклон берега, i	Дальность S, км, при высоте волны hур , м	Уклон берега, i	Дальность S, км, при высоте волны hур , м
	1	5	10		1	5	10
0.001	0.5	4.5	9.0	0.010	0.05	0.5	1.0
0.005	0.1	0.9	1.9	0.015	0.03	0.3	0.6

Количество зданий, получивших полные, сильные, средние и слабые разрушения определяют путем сопоставления давлений, характеризующих прочность зданий и давлений, характеризующих воздействие гидравлического потока. Давления, характеризующие прочность зданий, можно определить по таблице 6. Учитывая длительность действия нагрузки от гидравлического потока, необходимо значения интервалов давлений уменьшить в 1.5 раза. Данные, приведенные в таблице, представляют ступенчатую аппроксимацию законов определенных степеней разрушения зданий.

Ориентировочные значения давлений, в зависимости от высоты волны в рассматриваемом месте побережья, можно определить по таблице 5.

Таблица 5 Зависимость давления гидропотока на береговые преграды от высоты волн

Высота волны h, м	Давление потока, кПа
3	40
2.5	30
2	20
1.5	10
1	5



Таблица 6 Зависимость степени разрушения береговых строений от давления гидропотока

Давление потока, Кпа	Вид разрушений
до 5	повреждения
5 - 10	слабые
10 - 20	средние
20 - 30	сильные
30 - 40	полные

Количество аварий на КЭС принимают равным числу разрушенных коммуникаций в здание (электро, газо, тепло и водоснабжения). Ввод коммуникаций считается разрушенным, если здание получит полную или сильную степень разрушения. Водяные потоки могут вызвать затопление подземных коммуникационных каналов, что значительно увеличит объемы аварийно-технических работ.

Протяженность заваленных проездов и размытых насыпей дорог определяют, исходя из зоны затопления. Следует иметь ввиду, что практически все дороги в зонах затопления с высотой волны 2 метра и более будут разрушены. Проезды будут завалены обломками разрушенных конструкций и оборудования в пределах зоны затопления, где высота волны составляет 1 метр и более.

Основным фактором, определяющим численность пострадавших и объемы спасательных работ, является зона затопления с высотой волны 1 метр и более. Число пострадавших, оказавшихся в зоне затопления, можно определить по формуле:

N = S_зат ,



где S_зат - площадь затопления с высотой волны не менее 1 м, км²; - плотность людей в зоне затопления, чел/км².

Число людей, оказавшихся без крова, принимается равным численности людей, проживающих в зданиях, получивших средние, сильные и полные разрушения.

2.2 Практическое задание

Определить изменения высоты, скорости потока воды и гидравлического давления в зависимости от расстояния от берега, если на расстоянии L = 500 км от берега в океане находится эпицентр землетрясения магнитудой М = 8 балов. Средняя глубина океана H = 700 м, уклон берега i = 0,005. (Комплекс очистных сооружений находится на расстоянии S=1 км от уреза воды.)

Вариант 2

Дано:

М = 8 балов

L = 500 км

H = 700 м

i = 0,005

Решение:

1. По таблице 2 определим магнитуду цунами и главную высоту волны:

m = 2

h₀ = 6 м

2. Определим скорость распространения волны:

С = ,



3. Определим время достижения волнами цунами берега:

(71 мин)

4. Определим глубину потока у уреза воды:

h_yp = 1.5 h_o = 1.5 6 = 9 м,

5. Определим скорость распространения потока у уреза воды:

,

6. Определим глубину зоны ущерба. Коэффициент шероховатости:

,

Глубина зоны ущерба:

м ? 1,7 км

7. Определим изменение высоты и скорости потока воды по мере удаления от города:

h₁ = (U_yp-iS₁)(1-n) = (9 - 0,005•500)(1 - 0,0366) = 6,5 • 0,9634 = 6,26 м

h₂ =( U_yp-iS₂)(1-n) = (9 - 0,005•1000)(1 - 0,0366) = 4 • 0,9634 = 3,854 м

h₃ =( U_yp-iS₃)(1-n) = (9 - 0,005•1500)(1 - 0,0366) = 1,5 • 0,9634 = 1,445 м

м/с

м/с

м/с

8. Определим давление потока на здания:

,

= 64,8 кПа

= 36,2 кПа

= 11,5 кПа

Вывод: все здания на расстоянии 0,5 км от берега и на берегу будут полностью разрушены, все КЭС будут выведены из строя, все дороги размыты; все здания на расстоянии 1 км от берега получат сильные разрушения, все КЭС будут выведены из строя, все дороги размыты; все здания на расстоянии 1,5 км от берега получат слабые разрушения, КЭС не будут выведены из строя, некоторые дороги будут размыты.



3. Исследование устойчивости очистных сооружений

3.1 Характеристика объекта

На данном объекте производится очистка сточных вод. Сточными называют воды, удаляемые после их использования. В зависимости от происхождения, вида и качественной характеристики примесей сточные воды подразделяют на три основные категории: бытовые (иначе хозяйственно-фекальные), производственные и атмосферные (ливневые). В приведенном случае сточные воды имеют характер бытовых.

К бытовым относятся воды от кухонь и туалетных комнат, бань и прачечных, предприятий общественного питания и лечебных учреждений, воды от мытья помещений. Они поступают от жилых и общественных зданий и от бытовых помещений промышленных предприятий. По природе загрязнений они могут быть фекальные, загрязненные, в основном физиологическими выделениями людей, и хозяйственные, загрязненные всякого рода хозяйственными отбросами. В данной схеме очистки бытовых вод (рис.1) используют следующие аппараты:

1. Решетки - предназначены для задержания крупных загрязняющих веществ сточных вод, в основном органического происхождения (текстиль, бумага, крупные бытовые отходы), для обеспечения нормальных условий эксплуатации последующих сооружений или защиты защиты насосов от засорения.

2. Песколовки - предназначеныдля задержания крупных загрязняющих веществ в основном неорганического происхождения (песок размером 0,25 мм и укрупнее).

3. Первичные отстойники - резервуары, в которых при малой скорости жидкости (1,5 - 2 часа отстаивания) оседают крупные органические частицы и всплывает легкая фракция загрязнений. тстойники предназначены для уменьшения концентрации нерастворимых загрязняющих веществ стоков, способных оседать или всплывать.

4. Аэротенки - проточные резервуары глубиной 4 - 6 м., в которых создаются условия очистки введением: необходимого количества аэробных микроорганизмов в видеактивного ила, а также кислорода (искусственной аэрации).

5. Вторичные отстойники - должны обеспечить выделение активного ила и биопленки из очищенной воды. Число вторичных отстойников принимается [см. СниП 2.04.03-85] - не менее двух (рабочие).

6. Метантенки - сооружениядля аэробного сбраживания осадков городских сточных вод с целью получения метансодержащего газа брожения.

7. Илоуплотнители - гравитационного типа (радиальные, вертикальные, горизонтальные), флотаторы и сгустители. Влажность уплотненного активного ила в зависимости от типа сооружения и характеристики ила составляет 94,5 - 96,5%.

8. Хлораторная - сооружение для обеззораживания.

Рисунок 1. Схема расположения сооружений



Таблица 7 Данные о комплексе очистных сооружений

№ сооружения	Наименование цеха, отдела	Численность работающих	Вместимость защ. сооружений
1	Приемные резервуары	4	-
2	Решетки	-	-
3	Песколовки	10	-
4	Первичные и вторичные отстойники	12	-
5	Аэротеники и регенераторы	10	-
6	Насосная станция	10	-
7	Метантэнки	3
8	Илоуплотнители	2
9	Хлораторная	25	-
10	Главное машинное здание	40	-
11	Цех 1	20	-
12	Цех 2	20	-
13	Инженерный корпус	100
14	Аварийно-иловые площадки	2

Комплекс находится на расстоянии 1 км от уреза воды, на этом расстоянии при землетрясении (8 баллов, расстоянии от эпицентра до берега - 800 км) высота волны будет достигать 3,854 метров, ее скорость будет составлять 4,97 м/с, а давление потока на здание будет равно 36,2 кПа. Производственный процесс осуществляется внутри отделов, территория объекта насыщена инженерными, коммунальными и энергетическими линиями, здания выполнены из унифицированных элементов.

3.2 Устойчивость объекта к воздействию ударной волны

Под устойчивостью технической системы понимается возможность сохранения ею работоспособности при чрезвычайной ситуации. Повышение устойчивости технических систем и объектов достигается главным образом организационно-техническими мероприятиями, которым всегда предшествует исследование устойчивости конкретного объекта.



По ГОСТ Р 22.0.06-95:

Источник природной ЧС	Наименовение поражающего фактора	Характер действия, проявления поражающего фактора источника природной ЧС
Цунами	Гидродинамический	Удар волны, гидродинамическое давление потока воды, размывание грунтов, затопление территории

Перед водяным валом цунами распространяется воздушная ударная волна. Она действует, аналогично взрывной волне, разрушая здания и сооружения. Ударная волна или скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью - тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Критерием оценки ударной волны считают величину избыточного давления, которое разрушающе воздействует на элемент объекта. Оценке подлежат все элементы цеха, в том числе коммуникации: выявляются наиболее уязвимые элементы и участки, от которых зависит работа всего объекта.

При слабых разрушениях возможно восстановление методом ремонта с одновременным продолжением работ; при средних - временное прекращение деятельности; при сильных - полное прекращение производства. Минимальное избыточное давление УВ на объект Р_фmin = 10 кПа. Максимальное избыточное давление УВ на объект Р_фmax = 60 кПа. Наиболее неустойчивыми объектами являются главное машинное здание, цех 1 и цех 2, так как они имеют наиболее низкий предел устойчивости. Повышение устойчивости работы объекта будет, по существу, достигаться путем усиления наиболее слабых (уязвимых) элементов и участков объекта. Которое может быть достугнуто следующими способами:



Таблица 8 Данные для оценки устойчивости объекта к воздействию ударной волны

1. Повысить устойчивости главного машинного здания, цеха 1 и цеха 2 путем установки более прочного металлического каркаса, установки более прочных рам для дверей и окон, уменьшения пролета несущих конструкций, а также укрепления стен здания более прочными материалами.

2. Для повышения устойчивости оборудования очистных сооружений к воздействию ударной волны целесообразно обеспечить их жесткую фиксацию на прочном фундаменте, располагать его за прочными элементами здания и сооружений на вероятном направлении действия ударной волны, для кранов и кранового оборудования необходимо обеспечить дополнительные точки фиксации и крепления. Также необходимо устанавливать контрфорсы, повышающие устойчивость оборудования к действию скоростного напора ударной волны.

3. Для повышения устойчивости КЭС наземные трубопроводы и кабельные электросети следует поместить под землю. Также возможно укрепление трубопроводов путем установки на них дополнительных ребер жесткости, упрочняющих хомутов; кабельные электросети могут быть укреплены за счет укладки их внутри труб, а также за счет применение бронированных кабелей.

4. Эффективным является крепление к колоннам сооружений на шарнирах легких панелей, которые под воздействием динамических нагрузок поворачиваются, значительно снижая воздействие ударной волны на несущие конструкции сооружений.

5. Применение легких, огнестойких кровельных материалов, облегченных междуэтажных перекрытий и лестничных маршей при реконструкции существующих сооружений , а также при новом строительстве. Обрушение этих конструкций и материалов принесет меньший вред оборудованию, по сравнению с тяжелыми железобетонными перекрытиями, кровельными и другими конструкциями.

6. Устройство дополнительных конструкций, обеспечивающих быструю эвакуацию людей при возможных пожарах.

7. Возведение насыпей и дамб в целях защиты от наводнений.

3.3 Устойчивость объекта к воздействию светового излучения

Оценка устойчивости объектов к световому излучению заключается в определении пожарной обстановки. Предел устойчивости - это минимальный световой импульс, при котором воспламеняются здания, сооружения, материалы объекта и возникают пожары. Возникновение пожаров в первую очередь зависит от использованных материалов при стройке.

В зависимости от использованных строительных материалов огнестойкость зданий и сооружений делят на пять степеней (СНиП 2.01.02-85):

I степень - здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов, бетона или железобетона с применением листовых и плитных негорючих материалов;

II степень - здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов, бетона или железобетона с применением листовых и плитных негорючих материалов. В покрытиях зданий допускается применять незащищенные стальные конструкции;

III степень - здания с несущими и ограждающими конструкциями из естественных или искусственных каменных материалов, бетона или железобетона. Для перекрытий допускается использование деревянных конструкций, защищенных штукатуркой или трудногорючими листовыми, а также плитными материалами. К элементам покрытий не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня, при этом элементы чердачного покрытия из древесины подвергаются огнезащитной обработке;

IV степень - здания с несущими и ограждающими конструкциями из цельной или клееной древесины и других горючих или трудногорючих материалов, защищенных от воздействия огня и высоких температур штукатуркой или другими листовыми или плитными материалами. К элементам покрытий не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня, при этом элементы чердачного покрытия из древесины подвергаются огнезащитной обработке;

V степень - здания, к несущим и ограждающим конструкциям которых не предъявляются требования по пределам огнестойкости и пределам распространения огня.

Помещения подразделяют на пять категорий в зависимости от характера веществ и материалов, находящихся в них:

Таблица 9 Категории помещений

Категория помещения	Характеристика помещений по взрывопожарной и пожарной опасности
А	Помещения, в которых находятся горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28?С в таком количестве, что могут образовывать парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа, или вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа.
Б	Помещения, в которых горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28?С, горючие жидкости находятся в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные и паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа.
В	Помещения, в которых горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, находящиеся в помещении, способны при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом гореть, при условии, что помещения, в которых они имеются в наличии или обращаются, не относятся к категориям А или Б.
Г	Помещения, в которых находятся негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени; горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива.
Д	Помещения, в которых находятся негорючие вещества и материалы в холодном состоянии.

Результаты оценки устойчивости основных элементов данного объекта представим в виде таблицы 10, используя данные СНиП 2.01.02-85.



Таблица 10 Данные для оценки устойчивости объекта к воздействию светового излучения

Элементы объекта	Материалы и вещества	Степень огнестойкости	Категория пожаровзрыво-опасности	Световой импульс, вызывающий воспламенение, кДж/м2
Главное машинное здание	Металл, бетон	II степень	Категория Д	-
	Краска			252-420
	Двери, рамы			252-420
	Резина			252-420
Метантенки	Железобетон	II степень	Категория Г (для нормальной работы необходим подогрев смеси)	-
	Взрывоопасные газы (метан)			80-170
	Газовая сеть из стальных труб			-
Инженерный корпус	Кирпич	III степень	Категория В	-
	Бумага белая			330-420
	Резиновые изделия, изоляция			252-420
	Обивочные материалы			1250-1450
	Хлопчатобумажная ткань (темная)			250-400
	Хлопчатобумажная ткань (светлая)			500-750
Цех 1, Цех 2	Железобетон	III степень	Категория В	-
	Синтетический каучук, изоляция			252-420
	Доски, окрашенные в белый цвет			1700-1900
	Доски, окрашенные в темный цвет			250-420
	Кровля мягкая			580-840
	Ткань темного цвета			252-420
	Бумага белая			330-420
Хлораторная	Металл	II степень	Категория В	-
	Взрывоопасные газы (хлор в среде водорода)			80-170
	Резина, изоляция			252-420



Вывод: минимальное значение импульса, при котором может произойти воспламенение материалов и веществ соответствует 250 кДж/м². Это значение - есть предел устойчивости объекта к воздействию светового излучения.

Наиболее пожароопасным объектом являются инженерный корпус и цеха 1, 2. Они относятся к зданиям III степени огнестойкости и имеют категорию пожаро-взрывоопасности В.

На развитие пожаров на объекте влияет также степень разрушения зданий, сооружений, технологических линий ударной волной. Объединяя два исследования (ударной волны и светового излучения) можно сделать вывод, что наиболее уязвимыми будут Цех 1 и Цех 2.

Для повышения устойчивости объектов к световому излучению применимы следующие средства:

1. Деревянные конструкции покрыть огнестойкими составами (глиняно-известковой смесью и др.).

2. Технику укрыть от прямого действия светового излучения в сооружениях с повышенными огнезащитными свойствами, оврагах.

3. Увеличить количество средств пожаротушения, убрать легковоспламеняющиеся материалы.

4. На каждом объекте должны быть разработаны инструкции о мерах пожарной безопасности для каждого взрывопожароопасного и пожароопасного участка (мастерской, цеха и т. п.) . Например: для безопасной работы метантенки рекомендуется проектировать с подвижным (плавающим) перекрытием, располагать их следует на расстоянии не менее 40 м от основных сооружений станции, автомобильных и железных дорог и высоковольтных линий. Или: используемый в хлораторных хлор хранится в складе. Вокруг склада хлора и хлораторной со складом хлора должно быть сплошное глухое ограждение, высотой не менее двух метров, с глухими плотно закрывающимися воротами для ограничения распространения газовой волны и исключения доступа посторонних лиц на территорию склада. Хлордозаторные размещать в заглубленных помещениях не допускается, от других помещений они должны быть отделены глухой стеной без проемов и снабжены двумя выходами наружу, при этом один из них через тамбур.

5. Столы и шкафчики (тумбочки) в отделениях машинного набора должны быть покрыты листовой нержавеющей или оцинкованной сталью или термостойкой пластмассой.

6. В местах пересечения противопожарных стен, перекрытий и ограждающих конструкций различными инженерными и технологическими коммуникациями образовавшиеся отверстия и зазоры должны быть заделаны строительным раствором или другими негорючими материалами, обеспечивающими требуемый предел огнестойкости и дымогазонепроницаемость.

7. Конструкция вытяжных устройств (шкафов, окрасочных, сушильных камер и т. д.), аппаратов и трубопроводов должна предотвращать накопление пожароопасных отложений и обеспечивать возможность их очистки пожаробезопасными способами.

8. Искрогасители, искроуловители, огнезадерживающие, огнепреграждающие, пыле- и металлоулавливающие и противовзрывные устройства, системы защиты от статического электричества, устанавливаемые на технологическом оборудовании, трубопроводах и в других местах, должны содержаться в рабочем состоянии.

9. Через склады и производственные помещения не должны прокладываться транзитные электросети.

Во избежание пожаров необходимо выполнять все противопожарные мероприятия, курить следует только в отведенных местах, банки с маслом, керосином и бензином убирать в места, отведенные для хранения огнеопасных материалов. Необходимо следить за исправностью электросети. После работы нужно проверять выключение электрорубильников, электроприборов и осветительных точек (за исключением дежурных электроламп) и проверять, нет ли других причин, которые могут вызвать пожар. При пожаре нельзя выбивать стекла в окнах, так как приток свежего воздуха способствует распространению пламени. До прибытия пожарных команд тушить пожар можно огнетушителями, водой из пожарного крана или песком, для чего в отведенных местах должны быть ящики с песком и настенный щит с противопожарным инструментом.

3.4 Устойчивость объекта к воздействию вторичных поражающих факторов

К вторичным поражающим факторам цунами относят:

· затопление местности;

· разрушение зданий и сооружений, дорог, трубопроводов, линий электропередачи и связи, других коммуникаций, мостов и причалов;

· смыв почвы, уничтожение сельскохозяйственных культур;

· пожары, загрязнение почвы в результате разрушения хранилищ с опасными веществами объектов, где они используются;

· загрязнение или уничтожение источников питьевой воды;

· распространение инфекционных заболеваний, возникновение эпидемий.

Вторичные последствия цунами по тяжести и размерам ущерба могут во много раз превосходить его прямые последствия.



Таблица 11 Результаты оценки устойчивости объекта к воздействию вторичных поражающих факторов

Элемент, цех, участок, объект	Источник вторичного фактора	Характер вторичного фактора	Начало действия	Продолжительность действия, ущерб
Внутри участка: 1. Главное машинное здание 2. Цех 1, Цех 2 3. Инженерный корпус 4. Насосная станция 5. Аварийно-иловые площадки	Для 1-4:
	Расстекленение	Битое стекло	Немедленно при ?Рф=1кПа	Остановка работы до расчистки
	Трещины в стенах, разрывы трубопровода	Затопление, загазованность, взрыв	Немедленно при ?Рф=20кПа	Разрушение оборудования, остановка производства
	Обрушение перекрытий	Завалы, разрушение оборудование	Немедленно при ?Рф=25кПа	Остановка производства
	Для 4,5:
	Разгерметизация трубопровода высокого давления	Затопление, загазованность, короткое замыкание электропроводки, возгорание	Немедленно при ?Рф=10кПа	Разрушение оборудования, остановка работы
Внутри объекта: 1. Приемные резервуары 2. Решетки 3. Песколовки 4. Первичные, вторичные отстойники 5. Аэротенки 6. Илоуплотнители 7. Хлораторная 8. Метантенки	Для 1-5:
	Разрушение конструкции сооружений, разрывы трубопровода	Разлив сточной воды на местность, отказ работы оборудования	Немедленно при ?Рф=20кПа	Остановка работ до ликвидации последствий затопления, эвакуация персонала
	Для 6:
	Обрушение перекрытий	Разрушение гидравлического оборудования	Немедленно при ?Рф=15кПа	Остановка производства
	Для 7,8:
	Разрушение конструкции здания, разрыв газопровода, разгерметизация трубопровода	Утечка метана и жидкого хлора, затопление, возгорание, взрыв	Зависит от метеоусловий	Заражение ОС, при больших концентрациях: метан воздействует на ЦНС, хлор - на дыхательные пути и слизистую, остановка работ до ликвидации пожара
Внешние объекты: ТЭС в 6-ти км от объекта	Обрыв ВЛЭП (высоковольтная линия электропередач), повреждение ТП (трансформаторная подстанция)	Короткое замыкание, возгорание, обесточивание объекта	Немедленно при ?Рф=25кПа	Перебой в подаче электроэнергии, повреждение кабельных линий

Вывод: минимальное значение избыточного давления, способного вызвать первые разрушения очень мало (?Рф=1 кПа). Работу объекта придется приостановить до полной ликвидации последствий. Наиболее опасными вторичными поражающими факторами на данном комплексе сооружений являются затопление, разрушение конструкций зданий и химическое заражение окружающей среды.

Главную опасность представляет собой избыточное присутствие в воздухе хлора и метана. Хлор оказывает раздражающее воздействие на глаза и органы дыхания. При вдыхании вызывает судорожный, мучительный кашель. В тяжелых случаях происходит спазм голосовых связок, отек легких. Оказывает сковывающее воздействие на центральную нервную систему. При попадании на кожу жидкого хлора могут иметь место химические ожоги, обморожения. Воздействие в течение 30 - 60 минут 100 - 200 мг/м³ хлора опасно для жизни, а более высокие концентрации могут вызвать мгновенную смерть. Метан при больших концентрациях действует на центральную нервную систему, при содержании в воздухе 25--30 % метана появляются первые признаки асфиксии (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека головную боль.



4. Оценка инженерной защиты производственного персонала

Инженерно-технические мероприятия обычно включают комплекс работ, обеспечивающих повышение устойчивости производственных зданий и сооружений, оборудования и коммунально-энергетических систем к воздействию поражающих факторов.

Защита персонала имеет первостепенное значение для обеспечения устойчивости работы объектов. Она осуществляется путем обеспечения его защитными сооружениями, средствами индивидуальной защиты и рассредоточением в загородную зону, своевременным оповещением об угрозе нападения противника и другими мероприятиями. Инженерная защита персонала работающих смен предприятий, продолжающих свою деятельность в военное время и расположенных в зонах возможных сильных разрушений городов и важных объектов, достигается, прежде всего, путем использования существующих защитных сооружений (убежищ).

Рисунок 2. План расположения участков объекта



В комплексе данных очистных сооружений предусмотрено два встроенных убежища: в инженерном комплексе (рассчитано на избыточное давление 200 кПа, вместимость его 100 человек) и в главном машинном здании (рассчитано на избыточное давление 200 кПа, вместимость его 100 человек), куда также предусмотрена эвакуация персонала из цехов 1 и 2. Также на территории объекта находится отдельностоящее убежище (рассчитано на избыточное давление 300 кПа, вместимость его 100 человек), куда в случае ЧС должны направиться служащие из сооружений 1,3,4,5,6,7,8,9,14. Цифрой 2 обозначены решетки, которые работают без постоянного присутствия персонала, на случай внезапной аварии сооружение оснащено подвалом, рассчитанным на избыточное давление в 100 кПа.

Рассчитаем общую численность наибольшей рабочей смены:

N = 4+10+12+10+10+3+2+25+40+20+20+100+2 = 258 человек

Общая вместимость убежищ, включая встроенные, и подвала - 300-310 человек, т.е. защищены будут 100% персонала. При отсутствии подвалов и встроенных убежищ защищены будут 38,76% работающих. В случае разрушения только одного из убежищ защищенными будут 77,52% работающих.

Вывод: при нормальном функционировании всех убежищ и подвалов персоналу обеспечивается 100%-ая защита от ЧС, проход к отнесенному убежищу удобен для каждого отдельного сооружения, вместимость и встроенных, и отнесенного убежища достаточная для общей численности максимальной работы смены.



5. Повышение устойчивости работы объекта в условиях ЧС

Техногенные бедствия несут в себе тройные потери: собственный ущерб, расходы на восстановление, упущенные доходы вследствие остановки производства. Если к этому добавить социальные и моральные потери людей, то становится понятно, что плановые расходы на выполнение мероприятий по предупреждению аварий и повышению устойчивости объекта в условиях ЧС всегда на несколько порядков ниже, чем потери от аварий и катастроф, происшедших тогда, когда предприятие не подготовлено к возможным чрезвычайным происшествиям.