CC BY
141
/14 Civil SecurityTechnology, Vol. 8, 2011, No. 2 (28)
УДК.622.293
Автоматизированная система определения цунами
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2011
Л.В. Винокуров
Аннотация
В основу автоматизированной системы определения цунами положена теорема о вращающейся прямой вокруг центра равностороннего треугольника. Автоматизированная система позволяет определить координаты и параметры подводного землетрясения и полную характеристику возможного цунами, описать конструкцию устройства глубоководной волны цунами.
Ключевые слова: цунами; землетрясение; литосферная плита; теорема; сейсмоприемник; сейсмоволна; эпицентр; координаты; временные задержки; алгоритм; эмпирическая формула; устройство глубоководной волны.
Automated Determination of Tsunami
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2011
L. Vinokurov
Abstract
Based automated system for determining the tsunami laid theorem "On a rotating straight line around the center of an equilateral triangle". The automated system allows to determin the coordinates and parameters of the underwater earthquake and land a full description of a possible tsunami, describe the design of the device deep waves of the tsunami.
Key words: tsunamis; earth shaking; lithospheric plates; the theorem; geophones; seismic wave; epicenter coordinates; time delays; the algorithm; the empirical formula; the device deep wave.
Предлагаемая система относится к сейсмологии и рассматривается во взаимодействии с подводным землетрясением, очаг которого образуется вдоль зоны контакта литосферных плит в момент их проскальзывания и служит для определения координат очага землетрясения при регистрации сейсмических волн. В основу способа положена сформулированная теорема о вращающейся прямой вокруг центра равностороннего треугольника. Система заключается в том, что сейсмоприемники устанавливаются в горизонтальной плоскости на земной поверхности в сейсмичной зоне на берегу на коренных породах в вершинах равностороннего треугольника со стороной "1", равной менее 1000 мм, определяется в этой породе время "Т" прохождения сейсмоволной расстояния, равного стороне "1" треугольника. Известно, что сейсмические волны Р-продольные и S-поперечные, возникшие в очаге землетрясения, распространяются с разной скоростью, поэтому они регистрируются сейсмостанцией в разное время. Точное время прихода каждой волны определяется по отметкам времени, имеющимся на сейсмограмме. Скорости волн в сейсмоопасных регионах известны с высокой точностью. Используя разность скоростей Up-продольный и ц^-поперечной волн, можно определить расстояние "d" от сейсмостанции до эпицентра источника по формуле:
d = TUpUs/(Up-Us), (1)
где Т — интервал времени между вступлениями волн Р и S, измеренный на сейсмограмме.
После того, как для нескольких станций (не менее трех) определено расстояние до эпицентра, его местонахождение на плоскости находят путем пересечения окружностей с известными радиусами.
Определение глубины очага землетрясения представляется более сложной задачей. Однако при наличии сейсмограмм с записями землетрясений или мощных подземных взрывов близкими или далекими станциями по сходимости их данных можно оценить местоположение гипоцентра.
Нами разработан и опробован новый, более точный метод определения координат природных и техногенных источников излучения [2, 3]. В его основе лежит сформулированная и доказанная теорема о прямой, вращающейся вокруг центра равностороннего треугольника, гласящая: Если некоторая прямая UV, первоначально совпадающая с биссектрисой AD равностороннего треугольника АВС со стороной "1", вращается против часовой стрелки в плоскости треугольника вокруг его центра "О" (рис. 1), то проекции S1 S2 S3 сторон треугольника на эту прямую изменяются по законам:
B'C' = S2=lsin9; A'B' = S3 = кш(60°-ф);
A'C' = S1 = lsin(60° + ф), (2)
где ф — угол поворота прямой UV вокруг О от AD.
Из этой теоремы следует, что если проекции сторон равностороннего треугольника каким-либо образом определены, то положение прямой UV отно-
сительно заданного начала отсчета AD определяется однозначно путем использования обратных тригонометрических функций.
В целях определения направления (пеленга или азимута) на источник излучения сейсмических сигналов целесообразно принять условие, что любое фиксированное положение вращающейся прямой UV — это пеленг на определенный источник излучения. Для удобства на практике используют не рассмотренные проекции, а величины, пропорциональные этим линейным размерам, — временные задержки t1 t2 и t3 прихода сейсмического сигнала в вершины равностороннего треугольника [2, 3].
Переход от закона изменения проекций сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг центра треугольника, к закону изменения временных задержек в зависимости от направления прихода сейсмического сигнала к равностороннему треугольнику АВС, в вершинах которого установлены сейсмоприемники, осуществляется по аналогии (рис. 2). Здесь t1 и t3 — временные задержки прихода сигнала к сейсмоприемникам относительно сейсмоприемника, принимающего сигнал первым, а t2 — временная задержка между временем прихода сигнала ко второму и дальнему сейсмоприемникам. О — центр равностороннего треугольника, ф — угол между направлением прихода сигнала и началом отсчета, AD — биссектриса.
Если учесть, что сейсмосигнал к равностороннему треугольнику может приходить в плоскости с любого направления, то по аналогии с формулой (2) выражения для временных задержек запишутся в виде: ^=1/теш(60°+ф), t2=l/us^, t3=l/usin(60°^), (3) Если временные задержки каким-либо методом измерены, то ф однозначно определяется по формулам: ф = 60°+arcsin(t1/T); ф = arcsin(t1/T); ф = 60°-arcsin(t3/T), (4)
где Т=1/и — время, в течение которого сейсмический сигнал пройдет путь, равный длине стороны равностороннего треугольника "1".
Таким образом, промежутки времени, измеренные в двух вершинах, кроме дальней от источника, являются временными задержками, которые пропорциональны проекциям сторон треугольника на нормаль фронта сейсмической волны. По измеренным задержкам времени можно определить пеленг на источник излучения по сейсмической волне. Однако для большей точности определения пеленга целесообразно использовать меньшую задержку, так как малые значения синусоидальной функции при незначительном изменении аргумента имеют большую скорость роста и хорошую линейность.
На основе приведенных рассуждений был разработан алгоритм для ЭВМ, который позволяет по единственному сейсмическому сигналу (импульсу) определить пеленг на источник этого сигнала в реальном времени (рис. 3).
Рис. 1. Схема к определению проекций Б1, Б2, Б3 задержек сторон треугольника АВС на прямую СУ
При рассмотрении примеров определения пеленга ф на источник сейсмического импульса в полупространстве было выявлено наличие ошибки для ф. Причем, чем больше угол места в (угол между плоскостью расположения равностороннего треугольника и прямой, проходящей через источник и центр равностороннего треугольника), тем больше абсолютная величина ошибки Дф. Так, при в=20° ошибка Дф=6°. В связи с этим нами были разработаны методы определения пеленга ф на источник сейсмического сигнала, устраняющие ошибку Дф.
Первый метод, связанный с соотношением
ф = + ф2)/2, (5) многократно описывался и применялся.
Второй метод базируется на том, что при изменении угла места в при неизменном пеленге ф все временные задержки изменяются пропорционально своим первоначальным величинам. Это позволяет предположить, а затем и доказать, что при постоянном ф и изменении угла места в от 0 до 90° отношение меньшей временной задержки к средней задержке есть величина постоянная.
В связи с этим построена зависимость относительно заданного начала отсчета (рис. 4).
ф = Ца), (6)
где о выражает отношение меньшей временной задержки к средней временной задержке [1].
На основании построенного графика найдены экспериментальные формулы, которые по измеренным временным задержкам позволяют определить пеленг ф:
ф=30°(п-е-12о)+10о, (7)
ф=30°[п-(1-е-12о)]-10о, (8)
Рис. 2. Схема к определению временных задержек 1^, 1:2, 1:3 по аналогии с проекциями Б1, Б2, Б3
где п — порядковый номер 30-градусного сектора круга, центр которого совпадает с центром равностороннего треугольника, а отсчет порядковых номеров производится от биссектрисы начала отсчета против часовой стрелки.
Рис. 3. Алгоритм определения пеленга на источник сейсмоакустического
импульса
Рис. 4. Зависимость пеленга ф от величины о в пространстве
В формуле (7) используются нечетные порядковые номера секторов, а в формуле (8) — четные номера.
Нахождение порядкового номера 30-градусного сектора по измеренным временным задержкам выполняется в соответствии с разработанным алгоритмом (рис.5).
Точность определения пеленга ф по второму методу не хуже 2% при любых соотношениях значений временных задержек.
Рис. 5. Алгоритм для определения параметра «п
Таким образом, в пределах от 0 до 360° при известных временных задержках и известном порядковом номере сектора п может быть определено значение пеленга ф на источник излучения по одному из разработанных методов с высокой степенью точности.
Если источник сигналов и равносторонний треугольник расположены в разных плоскостях (угол места Р^0), то встает новая важная задача — определение направления на источник излучения (в сейсмологии — очаг землетрясения). С использованием теоремы о проекциях сторон равностороннего треугольника на прямую, вращающуюся вокруг его центра, был разработан метод определения угла места в
на источник сигнала. На рис. 6 представлен пояснительный чертеж к определению угла места в, координат эпицентра (ЭЦ), координат гипоцентра (ЕЦ) в трехмерном пространстве, невзирая на ориентацию треугольника относительно местоположения источника излучения.
Рассмотрим пример по определению координат источника по 2-му методу. Предположим, что сторона равностороннего треугольника равна 50 см и он установлен горизонтально на коренных породах земной коры. Имеется 3-канальная система регистрации сейсмического сигнала, подключенная к ЭВМ и измеряющая временные задержки.
Для определения искомых координат необходимо определить и измерить:
1) скорость продольной волны ир в объеме горного массива под треугольником;
2) скорость поперечной волны и (можно вычислить из соотношения ир=1.7и8);
3) малую и среднюю временные задержки при регистрации сейсмосигнала от источника излучения ^ и ^
4) отношение о=;мЛс;
5) номер 30-градусного сектора (по алгоритму);
6) азимутальный угол ф по формулам (7) или (8) (в зависимости от четности п);
7) временные задержки ^ и ^ для горизонтальной плоскости;
8) угол места в гипоцетра по одной из формул в=агсо8 1мЛ'м; в=агсоБ 1сЛ'с;
9) дальность до гипоцентра ёгц = Тсирте/^р-те);
10) дальность до эпицентра (ЭЦ) ёэц= ёгцсоБв;
11)глубину до гипоцентра z = Ъ = ёгщшв.
Для прогноза удара цунами необходимо выполнить следующие дополнительные операции:
определить максимальную амплитуду Ам в микронах для этого землетрясения, найти магнитуду Рихтера «М», при М>7 возможно цунами; проверку наличия волны цунами с помощью информации от устройства определения волны цунами, размещенного в океане вблизи контакта литосферных плит (вблизи разлома земной коры);
принять и провести анализ информации от устройства на наличие волны цунами, распространяющейся в объеме от поверхности до дна океана со скоростью 700-900 км/ч;
учесть давление волны;
определить высоту ударной волны цунами при выходе на берег;
вычислить время прихода цунами к береговой линии и оповестить население «Идет цунами, наступит через N минут».
Рис. 6. Схема к определению координат эпицентра и гипоцентра в трехмерном пространстве
которая прикреплена к якорному канату (2) на глубине не менее 100 м.; один конец каната прикреплен к якорю (3), второй конец через блок (4) прикреплен к противовесу (5), а блок (4) укреплен на нижней плоскости пробкового круга (6); сверху на плоскости круга установлены радиопередатчик (7) и источник питания (8). Радиопередатчик (7) соединен с выходом пьезоэлектрического датчика давления (1), к которому прикреплены с одной стороны усеченный конус (9), упирающийся вершиной в точку давления для надежного возбуждения электросигнала датчиком, а с другой стороны датчик крепится к металлической пластине (10), прикрепленной к якорному канату, к которой прикреплено вертикальное крыло (11) для поворота датчика на встречу распространяющейся волне цунами (12).
Литература
Рис. 7. Схема устройства определения волны цунами
1. Ракишев Б. Р., Винокуров Л. В. Пеленгация источников возмущения в массиве горных пород. Алматы: НИЦ «Фылым», 2002. 236 с.
2. Винокуров Л. В. Способ определения координат подземного ядерного взрыва // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2006. № 6.
3. Патент РФ № 2284046. Способ определения места положения гипоцентра и эпицентра аф-тершока / Винокуров Л. В. Бюл. № 26. 2006.
Определение волны цунами выполняется с помощью разработанного устройства.
Устройство определения волны цунами (рис. 7) представляет: пьезоэлектрический датчик давления (1), прикрепленный к металлической пластине (10),
Сведения об авторе
Винокуров Леонид Васильевич: д.т. н., доцент, ФГУ
ВНИИ ГОЧС (ФЦ), с.н.с.
121352, г. Москва, ул. Давыдковская, 7.
Тел./ факс: (495) 449-90-01.
Разработки ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
/19
И.В. Сосунов
АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ И ЗАЩИТЫ ОТ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ В УСЛОВИЯХ РЕФОРМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
4 3 О I'M
\здлт
^jEllTP
Москва 2008
ББК 68.9 я2
Сосунов И. В. Актуальные вопросы гражданской обороны и защиты от чрезвычайных ситуаций в условиях реформы технического регулирования. Монография. — М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2008. — 254 с.
ISBN 978-5-93970-029-0
Настоящая монография подготовлена на основе фундаментальных и прикладных научных исследований, выполненных научными сотрудниками Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России под научным руководством, а также при личном участии кандидата технических наук доцента Сосунова И. В. и предназначенная для информирования широкого круга читателей об актуальных вопросах гражданской обороны и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций в условиях реформ технического регулирования. Кроме того, монография содержит разъяснения по особенностям учета вопросов предупреждения чрезвычайных ситуаций в проектной документации и планирующих документах потенциально опасных объектов, направленных на снижение рисков и смягчение последствий аварий, катастроф и стихийных бедствий.
© Сосунов И. В., 2008
© ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2008
Сведения об авторе
Сосунов Игорь Владимирович (Sosunov Igor) свою трудовую и научную деятельность осуществляет в Федеральном государственном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт по проблемам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям МЧС России» (федеральный центр науки и высоких технологий) (далее — ФГУ ВнИи ГОЧС (ФЦ) в должности заместителя начальника управления — начальник отдела прогнозирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций.
Сосунов И. В. является кандидатом технических наук, доцентом, академиком Всемирной академии наук ком-
плексной безопасности, экспертом Системы экспертизы промышленной безопасности Ростехнадзора в области экспертизы проектной документации и деклараций промышленной безопасности опасных производственных объектов нефтяной и газовой промышленности.
Игорь Владимирович активно совмещает свою научную деятельность с преподавательской — является профессором кафедры «Строительное производство» и преподавателем кафедр «Инженерных систем, безопасности жизнедеятельности и экологии», «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» Государственной академии специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС). Сосунов И. В. принимает активное участие в работе международных, всероссийских и отраслевых конференций по вопросам гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечения комплексной безопасности потенциально опасных объектов. Он является автором более 50 научных публикаций, 12 учебников и учебных пособий в области гражданской обороны, защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций.
Контактная информация: тел. раб. (495) 449-90-45; моб. 8-903-171-62-34, E-mail: [email protected].
Содержание
Предисловие
1. Реформа технического регулирования и перспективы учета мероприятий гражданской обороны и мероприятий по предупреждению чрезвычайных ситуаций в проектной документации объектов капитального строительства
2. Актуальные вопросы стандартизации в области гражданской обороны и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций в условиях реформирования системы технического регулирования
3. О сертификации как форме подтверждения соответствия продукции требованиям, обеспечивающим гражданскую оборону и защиту от чрезвычайных ситуаций
4. О роли и месте системы независимой оценки рисков в области пожарной безопасности, гражданской обороны и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций в системе технического регулирования
4.1. Предпосылки и нормативная база создания системы независимой оценки рисков
4.2. Требования в области гражданской обороны, подлежащие проверке в ходе независимой оценки рисков
4.3. Требования по предупреждению чрезвычайных ситуаций и защите населения от чрезвычайных ситуаций, подлежащие проверке в ходе независимой оценки рисков
4.4. Критерии оценки деятельности организаций, осуществляющих независимую оценку рисков в области гражданской обороны, защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций и обеспечения пожарной безопасности
5. Актуальные вопросы предупреждения и ликвидации аварийных разливов нефти и нефтепродуктов
5.1. Общие положения
5.2. Разработка технологий моделирования аварийных разливов нефти на суше и на акваториях
5.3. Разработка и внедрение технологий мониторинга распространения нефтяных загрязнений
5.4. Методика инженерного расчета сил и средств, необходимых для ликвидации аварийных разливов нефти
5.5. Методика расчета необходимого технического оснащения объектовых аварийно-спасательных формирований силами и средствами первого уровня реагирования для ликвидации аварийных разливов нефти (нефтепродуктов)
6. Паспорта безопасности опасных объектов: вопросы теории и практики
7. Особенности учета вопросов предупреждения, локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций в декларациях промышленной безопасности опасных производственных объектов
8. Особенности учета вопросов предупреждения, локализации и ликвидации чрезвычайных ситуаций в декларациях безопасности гидротехнических сооружений
Послесловие
Электронная версия книги в формате PDF
http://elibrary.ru/item.asp?id=12580229
