CC BY
325
УДК 614.8.084
Е.В. Арефьева к.т.н., В.И. Мухин д.в.н. (АГЗ МЧС России), Э.Г. Мирмович к.ф.-м.н. (ФГУ ВНИИ ГОЧС) ПОДТОПЛЕНИЕ КАК ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЧС
E. Arefeva, V. Mukhin, E. Mirmovich SUBMERGENCE AS A POTENTIAL SOURCE OF EC
В качестве одного из парциальньа рисков потенциального источника разрушений зданий и сооружений является длительное воздействие подтопления.
Does not contain such a potential source of buildings and constructions destruction long-lasting drowning influence.
В.И. Мухин
Э.Г. Мирмавич
Тема статьи относится к специальности «Безопасность в ЧС», хотя она находится на междисциплинарном стыке гидро- и инженерной геологии, грунтоведения и гидрологии суши; геоэкологии и даже мерзлотоведения [1]. Почему?
Борьба с самим фактом подтопления или другим видом избыточного увлажнения — сама по себе бессмысленна («У природы нет плохой погоды»). А для возникновения ЧС нужны необходимые и достаточные условия. Необходимыми условиями для данного вида ЧС является наличие людей, критически важных объектов, объектов экономики, расположенных на подтопленных территориях. Достаточно одно условие
— критическое соотношение между внешним воздействием и защитными свойствами объекта. При этом потенциально опасные объекты могут играть как одну (пассивную), так и другую (активную) роль.
Среди карт риска ЧС, созданных в последнее время, риск ЧС от воздействия подтоплений подменяется вероятностью подтоплений от климатических и метеорологических факторов (рис. 1).
Большая часть последствий чрезвычайных ситуаций любого происхождения связана с обрушениями, частичными или полными разрушениями зданий и сооружений из-за их недостаточной надежности и защищенности от опасных техно-природных воздействий. Перефразируя известное выражение, можно сказать, что для таких воздействий как источники ЧС почти «все дороги ведут к обрушениям».
К потенциальным источникам таких видов ущерба можно отнести источники с малым и даже нулевым (землетрясения, смерчи, транспортно-промышленные аварии и др.) и с большим временами запаздывания между причиной и следствием, воздействием и аварийно-спасательной реакцией на них [2-4].
Среди последних следует особо выделить подтопление, которое приводит к увлажнению и разжижению грунтов, снижению их несущей способности, затоплению подвальных помещений и подземных коммуникаций. Подтопление нередко вызывает активизацию имеющихся оползней, карстовых процессов, просадку лессовых и набухание глинистых грунтов, процессы морозного пучения и даже изменения микросейсмической характеристики территории [5-7].
Ущерб от подтопления составляет до 5-6 млрд. долл. в год. Просадки лессовых массивов вызывают деформации, а иногда и полное разрушение зданий и сооружений, подземных коммуникаций, трубопроводов, транспортных систем. Просадочность лессовых пород в результате подтопления и избыточного увлажнения испытывают более 560 городов России [8]. Так, в Волгодонске по состоянию на 2003 г. из 907 жилых зданий 732 не имели гарантированной эксплуатационной надежности из-за деформации фундаментов в результате просадок обводненных лессовых грунтов. В некоторых городах Северного Кавказа величина просадки достигает до 1,0-1,5 м [5]. Угрожающая динамика подтопления отражается в том, что в 1986 г. подтоплением было охвачено 733 города (70%) России, а в 2006 г. — уже 93% городов. Основная причина подтопления городских территорий — это утечки из водонесу-щих коммуникаций (около 70%).
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
Рис. 1. Пример карт парциального риска, связанного с подтоплениями, в которых вероятность возникновения самого подтопления подменяет риск ЧС от подтоплений
Число объектов, которым угрожают оползни при подтоплении территорий, в России увеличилось с 3-4 тысяч до 12 тысяч, объемы карстовых пустот возросли втрое. В отдельных городах (Волгоград, Волгодонск, Нижний Новгород и др.) грунтовые воды поднялись с 9-12 м до 3 м от земной поверхности.
В последние десятилетия процесс подтопления освоенных территории принял в России практически повсеместный характер. В настоящее время подтоплено около 9 млн. га земель различного хозяйственного назначения, в том числе 5 млн. га сельскохозяйственных земель и 0.8 млн. га застроенных городских территорий. Из 1064 городов России подтопление отмечается в ~ 800 (~75%), из 2065 рабочих поселков
— в 460 (> 20%), а также в более чем 760 населенных пунктах. Подтапливаются многие крупнейшие города страны, такие как Астрахань, Волгоград, Иркутск, Москва, Нижний Новгород, Новосибирск, Омск, Ростов-на-Дону, Санкт-Петербург, Томск, Тюмень, Хабаровск и другие.
В настоящее время в России физический износ объектов ЖКХ (трубопроводы и т.п.) составляет 55-75%. Срочной модернизации требуют 30% мощностей водопровода, а количество аварий за 10 лет (с 1990 по 2000 гг.) выросло в пять раз и составило 70 аварий на каждые 100 км сетей водоснабжения в год, По этой тенденции к 2010 году рост может составить до 350 аварий на каждые 100 км сетей [9]. Количество аварий в системах теплоснабжения достигает до 100 тыс. в год, а в системах водоснабжения до 200 тыс. аварий в год [9]. Потери воды в системах водонесу-щих коммуникаций превышают в 2,5-3 раза допустимый уровень потерь в России и в 4-6 раз превышают допустимые потери воды в Европе. Учитывая такой износ жилых домов, тенденция роста числа аварий и обрушений зданий естественным образом будет продолжаться [9]. Ветхое жилье практически не способно сопротивляться негативным природным и природнотехногенным процессам.
Можно ли исследования в этой области направить на использование их в практике? Казалось бы, очистка, замена существующих дренажно-отточных
систем (которых, кстати, заведомо не достаточно), организация просушки после наводнений, как это было после катастрофических паводков в Европе в начале нынешнего века — вот и вся система борьбы с этим источником ЧС.
Однако, интенсивная откачка подземных вод и изменение установившегося гидродинамического режима на застроенных территориях, сложенных структурно-неустойчивыми грунтами, пораженных древним карстом, оползневыми процессами, может вызвать нарушение их устойчивости и развитие так называемых карстово-суффозионных процессов, приводящих к образованию провальных воронок техногенно-природного происхождения. Часто возникает ответный «дренажный эффект», активизирующий суффозионные и просадочные процессы. В некоторых районах эти процессы развиваются настолько быстро, что становятся опасными не только для зданий и сооружений, но и для людей.
Подтопление усиливает активизацию опасных инженерно-геологических процессов. Так, за последние 30 лет в северо-западной части г. Москвы образовалось 42 карстово-суффозионных провала. Провальные воронки имели диаметр от нескольких до 40 м, глубину от 1.5 до 5-8 м. В результате пострадало три пятиэтажных здания, жителей которых пришлось переселить, а здания разобрать. В районе г. Уфы за последние 65 лет зарегистрировано более 80 карстово-суффозионных провалов. Еще более широкое развитие этот процесс имеет в районе г. Дзержинска (Пермская область), где им поражено около 30% территории города
Из 100% территории Российской Федерации, где эксплуатируются атомные, гидро- и тепловые электростанции и другие объекты повышенной экологической опасности, до 50% находится в зонах опасных процессов подтопления.
Известно, что разрушительный эффект землетрясений зависит от деформаций грунтов при прохождении сейсмических волн. Интенсивность таких деформаций различна в сухих и водонасыщенных грунтах. В песчаных, песчано-глинистых, лессовых
грунтах при увлажнении нарушаются структурные связи. Влажные пески под действием вибрации начинают разжижаться, что приводит к большой осадке, крену построенных на таких грунтах зданий. Особенно большую опасность представляет разжижение грунтов на склонах, подверженных оползням. Так, один из крупнейших оползней, связанных с сейсмическим разжижением грунтов, вызвал катастрофу на водохранилище Вайонт в Италии. На водонасыщенных песчаных, глинистых грунтах интенсивность сейсмического воздействия (сейсмической балльности) повышается на 1-2 балла, а на лессовых грунтах могут доходить до 3 баллов, при этом уменьшается модуль деформации, уменьшается сопротивление грунтов сдвигу [6]. Это существенно, если учесть, что при 6-балльном землетрясении кирпичные дома остаются нетронутыми и испытывают слабые повреждения, то при 8-балльном землетрясении возможно и их разрушение в зависимости от их фундамента.
Так, в работе [7] была отмечена взаимосвязь плотности распространений повреждений зданий с УГВ после землетрясения 21.09.2004 в г. Калининграде (6-7 баллов по шкале Рихтера): в подтопленных микрорайонах города повреждено 1146 строений, из них 1061 - жилой дом, 46 объектов соцкультбыта, 39 других объектов.
В водонасыщенных грунтах при землетрясениях возникает дополнительная осадка грунта до 1 м, связанная с дополнительным уплотнением грунта. Учитывая, что ветхость зданий и домов в ряде городов страны достигла значительных процентов, требуется незамедлительно проводить водоосушительные мероприятия на подтопленных территориях, тем самым предотвратив возможные ЧС, связанные даже с незначительными землетрясениями, разрушительные последствия которых будут усилены негативными эффектами подтоплений.
Продолжается процесс необдуманного закрытия нерентабельных шахт с большими отрицательными необратимыми последствиями для территории:
• происходит быстрое превышение уровня грунтовых вод (УГВ), в разы превышающее уровень по сравнению с периодом до закрытия шахт;
• происходит загрязнение и затопление территории, разрушение региональных водоупоров;
• возникают локальные землетрясения в результате развития гидромеханических напряжений;
• отмечаются просадочные явления, снижение механических прочностных свойств пород;
• существует большая вероятность прорыва подземных вод в незакрытые работающие шахты.
Шахтные воды насыщены солями тяжелых металлов, они агрессивны по отношению к бетону, цементу. Ежегодно в Донбассе выносится более 2,62 млн. тонн различных солей с шахтными водами, поэтому при затоплении шахт активизируются опасные процессы из-за подтопления территории: карст, оползни и др.
В ряде работ отмечается, что недостаточно отработаны обоснованные методические рекомендации по управлению режимом УГВ и по обеспечению экологической безопасности при ликвидации шахт.
Основными мероприятиями по предотвращению аварийных последствий при закрытии шахт являются:
• опережающая оценка влияния закрытия шахт на экологическое состояние окружающей среды;
• выявление участков подтопления, геохимического загрязнения территории;
• создание прогнозных моделей изменения окружающей среды,
совершенствование методов регулирования и управления совершенствование систем мониторинга на локальном и региональном уровне; гидрогеологической ситуацией при закрытии шахт.
Сведения о некоторых ЧС, связанных с подтоплениями, на ряде шахт России приведены в табл. 1 [5].
Необходимо обратить внимание, что повышен-
Таблица 1
Название шахты, место Социальный, экологический и экономический ущербы
“Глубокая”, ОАО “Ростовуголь” Обрушение зависшей породы, гибель людей (2 чел.)
Ростовская обл., г. Новошахтинск, шахта “Западная”, “Капитальная”, 2003 г., октябрь Прорвало стенки шахты на глубине 54,5 м; прорвало 30 млн. м3 воды; то же повторилось в феврале, на глубине 300 м скорость поступления воды 10 тыс. м3 в час; угроза затопления 17 тыс. домов города
«Пионерка», Кузбасс Подтопление территории, пос.Треугольник в г. Белово, закрытие шахты, подтоплено 570 жилых домов
Шахта им. Дмитрова, Новокузнецк Угроза подтопления 99 домов и объектов Кузнецкого металлургического комбината
Шахта “Капитальная” № 5, Приморье Подтоплен пос.Тавричанка
Шахта “Капитальная”, Осинни-ковский р-н Кузбасса Затопление горных выработок, активизация оползневых явлений, необходимость переселения 3000 чел.
С. Белозерское, шахта Белозерская, 1999 г. Из-за закрытия подтоплено 20 домов, в недопустимом состоянии, 5% не эксплуатируются из-за непригодности, не эксплуатируются 397 квартир, разрушение кладки фундамента из-за высокого УГВ
Шахта “Новая”, г. Желтые Воды Аварийная ситуация из-за подъема УГВ, учитывая, что на шахте ведутся урановые разработки, угроза радиоактивного заражения территории
Научно-технические разработки
Научно-технические разработки
ным рискам потопления в большей мере, чем другие строения, подвержены памятники культуры градостроительного и архитектурного характера. В работах [12,13] эта проблема анализируется с предложениями по ее разрешению.
В зоны повышенного риска также попадают места с постоянными подтоплениями, структурнонеустойчивыми грунтами и карстовыми пустотами, совпадающие в мегаполисах с т.н. зонами «элитного строительства», считающееся таковым по какой-то непонятной причине вместо высотного и, следовательно, более опасного. Решение жилищной проблемы на длительную перспективу [6,14,15] при таком подходе может превратить в повторный вариант новых «хрущоб», которые сегодня приходится сносить по всей стране.
А для целого ряда случаев рекомендуются щадящие осушительные мероприятия с отслеживанием сохранности увлажненного состояния оснований фундаментов, для которых вода — это своеобразный консервант. Это, прежде всего, памятники архитектуры, памятники деревянного зодчества, дома, расположенные на деревянном фундаменте в северных русских городах и т.д. Таким образом, наиболее эффективной технологией против негативных эффектов подтопления является оптимальное управление режимом УГВ [10], которая в силу учета неоднородностей среды, значительной непредсказуемости процессов и явлений в подземной гидросфере, должна являться эргати-ческой системой управления [11].
В цикле работ по проблемам прогнозирования ЧС (например, [2-4]) утверждается, что реальнодействующий прогноз может быть только на детерминированной, а не стохастической основе (система уравнений с опережающими и запаздывающими аргументами).
Научно-практической задачей в этой области при этом является увеличение заблаговременности прогноза со стороны науки и уменьшение времени готовности системы реагирования
— со стороны спасательных служб МЧС России и РСЧС.
Наличие большого временного лага (запаздывания) между началом процесса подтопления территорий и их аварийным состоянием, чреватым возникновением ЧС разного уровня, имеет не только негативный аспект, но одновременно предоставляет возможность принимать превентивные, опережающие меры по их предотвращению, а также предупреждению посредством автоматизированного управления УГВ.
За основу математической модели управления УГВ принималось координатное представление нели-
нейного параболического уравнения типа уравнения теплопроводности:
И Ь = (к(х,у) Ь)х + (к(х,у) Ьу)у + ™(х,у,1), где Ь(, Ьх, Ьу — скорости изменения уровня грунтовых вод во времени и пространстве; к(х, у) — переменный коэффициент фильтрации грунтовых вод, зависящий от характеристики грунтов в декартово-ортогональных направлениях; и и w(x,y,t) — эмпирически задаваемые коэффициенты водоотдачи и инфильтрационной подпитки.
Численное моделирование и расчеты для выработки управляющего воздействия (УВ) проводились в рамках стандартных граничных условий первого, второго и третьего рода в итерационном рекуррентном цикле прямая-обратная-прямая задача [7].
Программа управления режимом УГВ осуществляется относительно некоторого эталонного для данного объекта уровня Ьк.
Реальное состояние диагностики, анализ действующих мониторинговых систем силами ВСЕГИН-ГЕО, номенклатура и содержание нормативных документов до настоящего времени не отвечают угрожающему положению по этой проблеме. В паспортах безопасности зданий и территорий, включая КВО и ПОО, учетом состояния фундаментов не культивируется. То же самой касается актов комиссий по ЧС, в которых причины ЧС в виде подтоплений не указываются. Из-за недостаточности пунктов гидрогеологического контроля и наблюдений на застроенных территориях нет возможности иметь достоверные карты потенциального и фактического подтопления, базы данных по анализу аварийности зданий и сооружений.
Для Москвы, например, кроме существующих дренажных точек, необходимо развертывание хотя бы нескольких автоматизированных станций УВ для оптимального реверсивного управления УГВ (например, рис. 2).
Рис. 2. Карта подтопления территории г. Москва
В заключение следует отметить, что подсистемы роваться в рамках РСЧС, которая способствует соорга-предупреждения ЧС при подтоплении должны форми- низации разных структур и ведомств в этом деле.
Литература
1. Дзекцер Е.С. Закономерности формирования подтопления застраиваемых территорий, принципы прогнозирования и инженерной защиты. — М., 1987. — 77 с.
2. Мирмович Э.Г. Прогнозирование чрезвычайных ситуаций и рисков как научно-практическая задача // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. — М.: ВИНИТИ. — 2003. Вып.1. — С. 142-146.
3. Мирмович Э.Г. Прогноз как научно-практическая задача и прогнозирование ЧС в регионе // Сб. материалов Международного симпозиума «Комплексная безопасность России: — исследования, управление, опыт». - М.: ИИЦ ВНИИ ГОЧС, 2002. - С. 190-192.
4. Мирмович Э.Г.Использование электромагнитных эффектов землетрясений в прогнозировании ЧС сейсмического характера // Управление рисками. — М.: «Анкил». — 2004. — № 3. — С. 25-30.
5. Арефьева Е.В. Подтопление объектов экономики как потенциальный источник возникновения инженерно-геологических опасностей и чрезвычайных ситуаций / Под ред. д.в.н., проф. В.И. Мухина. —М.: АГЗ МЧС России, 2007. — 117 с.
6. Ершов И.А., Попова Е.В. О влиянии обводненности грунтов на интенсивность сейсмического воздействия. Эпицентральная зона землетрясений // Вопросы инженерной сейсмологии. — М.: Наука. — 1978.
— Вып.19. — С. 199-221.
7. Котлов В.Ф., Чесноков И.В. Оценка геологических факторов риска при землетрясении (на примере Калининградского землетрясения 21.09.2004 г.) // Оценка и управление природными рисками. Материалы Всероссийской конференции «РИСК-2006». — М.: РУДН, 2006. — С. 207-209.
8. Проект «Концепции развития водопроводно-канализационного хозяйства в новых экономических условиях». ГФГП «Союзводоканалпроект». — М., 2002.
9. Арефьева Е.В. Математические методы предупреждения чрезвычайных ситуаций при подтоплении объектов и территорий. — М.: АГЗ, 2006. — 87 с.
10. Арефьева Е.В., Дзекцер Е.С. Система оптимального управления подземными водами в условиях застроенной территории // Водные ресурсы. — 1994. — № 3. — С. 290-296.
11. Мухин В.И. Исследование систем управления. — М.: Экзамен, 2002. — 384 с.
12. Мирмович Э.Г. Туризм и памятники культуры как объекты безопасности в системе гражданской защиты // Актуальные проблемы гражданской защиты. Материалы XI Международной научно-практической конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций. Москва, 18-20 апреля 2006 г. МЧС России. — Н.Новгород: Вектор-ТиС, 2006. — С. 318-324.
13. Арефьева Е.В. Защита архитектурных памятников от подтопления (на примере Новгородского Кремля) // Жилищное строительство. — М. — 2003. — № 2. — С. 25-29.
14. Булгаков С.Н. Ликвидация жилищного кризиса как первый этап реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье — гражданам России» // Устойчивое развитие городов и новации ЖКХ: Тезисы Пятой международной научно-практической конференции. — М.: МИКХиС, 2007. — С. 121.
15. Арефьева Е.В. Влияние подтопления на безопасность объектов строительства // Жилищное строительство. — М.: — 2005. — № 3. — С. 23-26.
